Characterization of Isoprene Synthase from Arundo donax L. in Relation to Abiotic Stress Tolerance

Isoprene (2-methyl-1,3-butadiene, C5H8) è un idrocarburo volatile con cinque atomi di carbonio, sintetizzato dalla via metabolica del MEP (metileritritolo fosfato) nei cloroplasti di varie specie di piante. È stato suggerito che l’isoprene possa aumentare la tolleranza delle piante alle condizioni di stress, perché la sua emissione potrebbe essere stimolata quando le foglie sono sottoposte a stress ambientali o ricuperano da essi. Le funzioni fisiologiche dell’emissione di isoprene sono state studiate per lungo tempo. Le ricerche precedenti hanno ben documentano che l’emissione di isoprene può aumentare la tolleranza termica o la resistenza allo stress ossidativo delle piante, ma è meno chiaro se l’emissione di isoprene può aumentare la tolleranza allo stress idrico, e i meccanismi molecolari delle piante che emettono isoprene in relazione alla siccità non sono mai stati investigati prima. Nel presente lavoro, abbiamo caratterizzato la funzione fisiologica del primo gene IspS (AdoIspS) di una specie di monocotiledone, Arundo donax L., in relazione a differenti stress abiotici, tramite overespressione in Arabidopsis thaliana. Le piante transgeniche hanno mostrato una maggiore produzione di semi rispetto a quelle non trasformate. Dopo aver confrontato il tempo di fioritura, la biomassa fogliare e la morfologia delle piante tra tipo selvatico (WT) Col-0 e linee IspS, i risultati suggeriscono che l’emissione di isoprene potrebbe fornire un vantaggio selettivo alle piante attraverso l’aumento del tasso di crescita delle piante. Per investigare la funzione protettiva dell’emissione di isoprene in relazione a stress abiotici, in primo luogo, è stata esaminata la tolleranza termica tramite l’analisi comparativa dell’abilità di sopravvivenza tra piante IspS e Col-0. I risultati indicano che, dopo aver recuperato dallo shock termico, le piante IspS hanno mostrato un più elevato tasso di sopravvivenza, contenuto di clorofilla e peso fresco in diverse fasi di sviluppo. Questo ha rivelato che la trasformazione del gene IspS, isolato da una specie di monocotiledoni, può conferire tolleranza termica a una specie che non emette isoprene, analogamente alle IspSs da dicotiledoni. In secondo luogo, abbiamo investigato la sensibilità delle piante IspS alla somministrazione di acido abscissico esogeno (ABA), in quanto l’ABA è una molecola-chiave nella protezione delle piante sotto stress idrico, ed è prodotto a valle della via biosintetica del MEP. Le piante IspS hanno mostrato una ridotta sensibilità all’applicazione esogena di ABA sia in fase di germinazione sia in fase di semina. I risultati di qPCR indicano che, con il trattamento di ABA alla parte ipogea della pianta, la regolazione dei geni indotti da ABA e dei geni di biosintesi dell’ABA in radice non è influenzata dalla presenza di IspS. Tuttavia, nelle foglie transgeniche per IspS, l’espressione dei geni reattivi all’ABA viene indotta, mentre quella dei geni di biosintesi dell’ABA è repressa. Questi risultati supportano l’idea che l’emissione di isoprene potrebbe essere implicata nella biosintesi e accumulo fogliare di ABA. Pertanto, la presenza di IspS potrebbe influire/alterare ulteriormente il meccanismo della tolleranza alla siccità delle piante che non emettono isoprene, mediando i meccanismi dipendenti dall'ABA di protezione contro lo stress idrico. Per verificare se ed in caso come la trasformazione di IspS altera la tolleranza alla disidratazione delle piante, nell’ultima parte del lavoro, le linee di Arabidopsis transgeniche per IspS sono state utilizzate nello studio di stress conseguente alla disidratazione. I risultati del test di perdita di acqua e l’analisi dell’apertura stomatica confermano che, le piante che emettono isoprene potrebbero richiedere una quantità minore di ABA per tollerare lo stress causato da disidratazione. Inoltre, il tasso di sopravvivenza, come anche il test di perossidazione dei lipidi e l’espressione dei geni relativi alla disidratazione sono stati misurati per analizzare l’aumentata tolleranza alla disidratazione delle linee IspS a livello di intera pianta. I risultati indicano che la migliore tolleranza alla disidratazione mostrata in piante transgeniche per IspS forse risulta dal ridotto accumulo di specie reattive dell’ossigeno (ROS) in foglie che mettono isoprene. Queste scoperte suggeriscono che il gene IspS ha un ruolo importante nella tolleranza delle piante a condizioni di stress abiotico. Comprendere i meccanismi regolatori del gene IspS in risposta allo stress abiotico potrebbe aiutarci a scoprire perché le piante che emettono isoprene superano meglio gli eventi di stress transitorio in natura.