Controllo molecolare della resistenza al freddo

La resistenza al freddo è la capacità delle piante di adattarsi e resistere alle temperature di congelamento. Le piante legnose resistenti al freddo possono sviluppare una tolleranza al gelo a temperature inferiori a -30°C e possono persino superare temperature estremamente basse fino a -196°C, come dimostrato per la betulla (Betula pubescens). Il principale stress a cui sono sottoposte le cellule durante il congelamento è la forte disidratazione indotta dalla presenza di ghiaccio extracellulare, che porta a danni strutturali alle membrane, alla denaturazione delle proteine e allo stress ossidativo. La resistenza al freddo è innescata da fattori ambientali che di solito precedono i periodi di congelamento, come il fotoperiodo breve e la bassa temperatura di non congelamento, ma anche da fattori endogeni come l’acido abscisico (ABA). Esistono diversi meccanismi di tolleranza associati che coinvolgono processi biofisici, tra cui il surraffreddamento profondo dei tessuti xilematici e l’esistenza di siti preferenziali per la formazione di ghiaccio, oltre alla produzione di metaboliti e proteine specifici e a cambiamenti nella struttura delle membrane. I cambiamenti nella composizione della membrana plasmatica sono una caratteristica chiave dell’acclimatazione al freddo, tra cui un aumento della desaturazione degli acidi grassi nei lipidi di membrana, che mantiene la fluidità funzionale della membrana alle basse temperature. È stato dimostrato che il contenuto di acqua e il potenziale osmotico delle gemme e del fusto diminuiscono in autunno e in risposta a un fotoperiodo breve. Questa disidratazione programmata contribuisce alla resistenza dei tessuti prevenendo la formazione di ghiaccio e riducendo gli effetti della disidratazione cellulare indotta dal gelo. Anche gli zuccheri svolgono un ruolo essenziale nell’acclimatazione al freddo, come dimostra la correlazione osservata tra il contenuto di zuccheri e la tolleranza al gelo nelle piante legnose, associata a vari processi, tra cui la formazione di una soluzione cellulare metastabile e l’osmoregolazione. Studiando il contenuto di zuccheri solubili e di enzimi metabolizzatori di saccarosio nel ciliegio dolce, è confermato che i contenuti di zuccheri solubili, zuccheri riducenti e saccarosio erano più elevati nelle fasi di acclimatazione al freddo rispetto alle fasi di non acclimatazione.

È stato dimostrato che gli ormoni vegetali, in particolare l’ABA e l’etilene, svolgono un ruolo essenziale nella segnalazione dello stress delle piante. I livelli di ABA aumentano nelle piante legnose in condizioni che portano all’acclimatazione al freddo e l’applicazione di ABA esogeno può aumentare la tolleranza al gelo senza esposizione a basse temperature. Oltre al ruolo dimostrato nella regolazione della dormienza, i livelli di etilene aumentano durante l’acclimatazione al freddo e l’etilene agisce come regolatore positivo della tolleranza al gelo delle piante attraverso l’attivazione dell’espressione genica indotta dal freddo e la produzione di proteine antigelo. Diversi studi su piante diverse hanno identificato proteine comuni associate alle basse temperature, come i geni regolati dal freddo (COR) e i fattori C-Repeat-Bind-inducibili dal freddo (CBF)/Dehydration-responsive element-binding1 (DREB1). I geni CBF sono indotti entro 15 minuti dall’esposizione della pianta al freddo, seguiti dall’induzione di geni bersaglio di CBF, il “regolone CBF”, che condividono tutti l’elemento LTRE/DRE/ CRT (low-temperature response element, drought responsive element, o c-repeat) nel loro promotore. La famiglia di proteine CBF sembra essere altamente conservata tra le specie vegetali. Tuttavia, la regolazione dei geni CBF nelle piante legnose sembra essere più complessa rispetto alle specie erbacee, con modalità di espressione specifiche per gene, tessuto ed età. Ad esempio, i geni CBF delle piante legnose sono indotti in varie condizioni, tra cui le basse temperature e il gelo, dopo l’esposizione a giorni brevi e la stagione di crescita, suggerendo che partecipano non solo all’acclimatazione al freddo stagionale, ma anche all’acclimatazione a episodi di gelo periodici durante la stagione di crescita.

Nel ciliegio dolce sono stati identificati almeno tre omologhi di CBF/DREB1 e la conservazione della funzione è stata confermata dalla sovraespressione di uno dei geni CBF/DREB1 del ciliegio dolce in Arabidopsis. In una delle linee di piante transgeniche, il gene target CBF/DREB1 cor15a è stato indotto in assenza di trattamento di stress e la pianta ha mostrato una maggiore tolleranza al congelamento. Anche un ortologo putativo di CBF1 della ciliegia acida ha dimostrato di essere sovra-regolato nelle foglie dopo l’esposizione al freddo, supportando così l’ipotesi che il sistema genico CBF sia ampiamente conservato. Alcuni geni DAM del pesco hanno elementi di risposta CRT/DREB nei loro promotori e un promotore del gene DAM del melo ha un elemento simile a CRT, suggerendo che la resistenza al freddo e le vie della dormienza sono intrecciate. In Arabidopsis, molti geni COR sono caratterizzati dalla presenza di un elemento CRT o DRE nel loro promotore e la loro regolazione aumenta in condizioni di non acclimatazione nelle piante transgeniche che sovraesprimono i geni CBF. Studi hanno dimostrato che l’espressione degli omologhi dell’Arabidopsis COR47 aumenta durante l’acclimatazione al freddo. Tra i geni COR, le Deidrine sono indotte da stress che causano disidratazione cellulare, tra cui le basse temperature e il congelamento, e i risultati ottenuti in un’ampia gamma di specie suggeriscono che le Deidrine operano come proteine protettive. In particolare, le Deidrine sono state caratterizzate nel pesco, indotte da basse temperature o stress idrico. Attualmente le conoscenze sulle Deidrine nel ciliegio sono molto limitate, ma uno studio sembra aver identificato proteine sensibili al freddo nei germogli di ciliegio.

I processi di de-acclimatazione e riacclimatazione rimangono meno conosciuti. La de-acclimatazione è spesso definita come una riduzione dei livelli di resistenza al freddo dovuta a diversi fattori come gli stimoli ambientali (temperature più calde e giornate più lunghe), i cambiamenti fenologici e la riattivazione della crescita. Nelle piante legnose, la de-acclimatazione avviene più rapidamente dell’acclimatazione al freddo. Questo processo, insieme al rinnovamento della crescita, è associato alla reidratazione dei tessuti e delle cellule e all’attivazione degli enzimi coinvolti nel metabolismo degli zuccheri. La capacità di de-acclimatazione e riacclimatazione gioca un ruolo significativo nel determinare la resistenza delle piante durante vegetazione dei germogli e la fioritura, quando le piante sono particolarmente vulnerabili al freddo, e può variare notevolmente tra specie e cultivar.