I ritmi circadiani (dal latino circa dies: intorno al giorno) sono oscillazioni biologiche con periodo di circa 24 ore che si riscontrano in quasi tutti gli organismi viventi, dai batteri ai mammiferi. Nelle piante, l'orologio circadiano regola un'enorme varietà di processi: l'apertura e la chiusura degli stomi (ottimizzando gli scambi gassosi in relazione alle condizioni di luce e temperatura), la fotosintesi (massimizzata nelle ore di maggiore irradiazione), il metabolismo degli zuccheri e degli amminoacidi, il movimento fogliare (nyctinasty: chiusura notturna delle foglie in molte specie), la fioritura (la misurazione del fotoperiodo per la decisione di fiorire), la risposta agli erbivori (i meccanismi di difesa sono potenziati nelle ore in cui gli erbivori sono più attivi), la crescita (massimizzata in certi momenti del giorno). L'orologio circadiano delle piante non è semplicemente una risposta reattiva alla luce e all'oscurità: è un orologio interno che anticipa i cambiamenti di luce e temperatura anche in condizioni di oscurità costante o di luce costante.

Il meccanismo molecolare dell'orologio circadiano vegetale

L'orologio circadiano delle piante (studiato principalmente in Arabidopsis thaliana) è un sistema di retroazione molecolare (feedback loop) con alcune similarità sorprendenti con l'orologio circadiano degli animali (il cui studio ha valso il Nobel 2017 a Hall, Rosbash e Young). Il loop centrale dell'orologio di Arabidopsis: CCA1 e LHY (Circadian Clock Associated 1 e Late Elongated Hypocotyl): fattori di trascrizione che si accumulano all'alba, attivano i geni dei processi diurni e reprimono TOC1. TOC1 (Timing of CAB Expression 1): fattore di trascrizione che si accumula al tramonto, attiva i geni dei processi notturni e reprime CCA1 e LHY. Il ciclo: CCA1/LHY alti la mattina → reprimono TOC1 → TOC1 scende → liberano CCA1/LHY → CCA1/LHY scendono la sera → TOC1 sale → reprime CCA1/LHY → CCA1/LHY salgono all'alba. Un ciclo di circa 24 ore mantenuto anche in assenza di segnali esterni di luce. L'entrainment (sincronizzazione): i fitocromi (sensori della luce rossa) e le criptocrine (sensori della luce blu) sincronizzano l'orologio interno con il fotoperiodo reale ogni giorno. La luce del mattino resetta l'orologio. La sorprendente conservazione evolutiva: le proteine dell'orologio circadiano vegetale (CCA1, PRR, TOC1) hanno strutture simili a quelle dell'orologio degli animali (PER, CRY, CLOCK, BMAL1). La conservazione di questo sistema di feedback molecolare nell'evoluzione da piante a animali suggerisce che l'orologio circadiano è una soluzione così efficiente al problema della misurazione del tempo biologico che si è mantenuta attraverso miliardi di anni di evoluzione separata.

Le piante "dormono": la nyctinasty

La nyctinasty (dal greco nykt: notte, nastos: compresso) è il movimento fogliare circadiano osservato in molte piante: le foglie si aprono alla luce e si chiudono al buio, come se la pianta "dormisse" di notte. Le specie più note per la nyctinasty: Mimosa pudica (chiude le foglie sia per contatto che di notte), Albizzia (l'albero del sonno: le foglie si chiudono completamente di notte), piante di fagiolo e pisello (le foglie si inclinano verso il basso di notte), tulipani e calendule (i fiori si chiudono di notte). Il meccanismo: la nyctinasty è controllata da cellule motorie specializzate nel pulvino (struttura alla base delle foglie) che cambiano la loro pressione turgorica in risposta ai segnali dell'orologio circadiano e della luce. Nelle ore notturne, le cellule del pulvino perdono acqua (la pressione turgorica scende) e la foglia si flette verso il basso o si chiude. Alla luce, riacquistano turgore e la foglia si riapre. Le funzioni ipotizzate della nyctinasty: riduzione della perdita di calore notturna (le foglie chiuse trattengono meglio il calore), protezione dalla rugiada (evitare l'accumulo di acqua sulle foglie, che favorisce le infezioni fungine), riduzione della perdita di acqua per traspirazione notturna, protezione dai bruchi notturni (alcune specie di bruchi cacciano di notte: foglie chiuse potrebbero essere meno individuabili). Nessuna di queste ipotesi è stata definitivamente dimostrata come la funzione "principale".

Come i ritmi circadiani influenzano la difesa delle piante: il tempismo è tutto

Una delle scoperte più affascinanti sulla funzione dell'orologio circadiano vegetale riguarda il suo ruolo nel tempismo delle risposte di difesa. Difesa anticipatoria: le piante aumentano la produzione di tossine difensive e di enzimi di difesa nelle ore in cui gli erbivori specifici sono più attivi, anticipando l'attacco invece di aspettare di essere mangiate. L'esperimento di Goodspeed et al. (2012, PNAS): piante di Arabidopsis esposte ad afidi durante il giorno producono più glucosinolati (tossine difensive) durante il giorno (quando gli afidi sono più attivi) che di notte. Quando l'orologio circadiano delle piante viene geneticamente disruppato (mutanti che perdono il ritmo), producono gli stessi livelli di glucosinolati tutto il giorno: meno efficienti. Le piante con orologio funzionale vengono mangiate meno degli afidi rispetto ai mutanti aritmici. Resistenza virale circadiana: Wang et al. (2011) hanno mostrato che la resistenza delle piante di riso al virus del mosaico del tabacco (TMV) è massima al tramonto e minima all'alba. Il sistema immunitario vegetale (SAR: Systemic Acquired Resistance) è gated (controllato) dall'orologio circadiano. L'implicazione agronomica: i trattamenti fitosanitari applicati in momenti del giorno sincronizzati con i picchi di resistenza della pianta (o della vulnerabilità del patogeno) potrebbero essere significativamente più efficaci. La "crono-agricoltura" è un campo emergente che studia l'ottimizzazione dei trattamenti in base all'orologio circadiano delle piante.

L'orologio circadiano e la qualità delle colture: implicazioni alimentari

L'orologio circadiano regola anche la qualità nutrizionale delle piante coltivate in modi che hanno implicazioni pratiche per la produzione alimentare. Glucosinolati nel broccolo: la concentrazione di glucosinolati (i composti antiossidanti del broccolo) varia nel corso della giornata con un ritmo circadiano, con picchi nelle prime ore del mattino. Raccogliere il broccolo al mattino presto potrebbe massimizzare il contenuto di glucosinolati. Vitamina C nelle fragole: alcuni studi mostrano che il contenuto di vitamina C nelle fragole è più alto nelle fragole raccolte nelle ore di massima intensità fotosintetica (metà mattina), quando la produzione di carboidrati e antiossidanti è più alta. Amidi e zuccheri: molte colture accumulano amidi di notte e li convertono in zuccheri durante il giorno (regolato dall'orologio circadiano). La dolcezza dei pomodori e delle carote può variare in base al momento della raccolta. Implicazioni per la vertical farming: le farm verticali con illuminazione LED artificiale possono manipolare il fotoperiodo e l'entrainment dell'orologio circadiano delle piante per ottimizzare la qualità nutrizionale (ad esempio, simulare l'alba anticipata per massimizzare i glucosinolati al momento della raccolta). Una delle frontiere della nutrizione di precisione applicata alla produzione vegetale.

L'orologio circadiano delle piante e quello umano: paralleli evolutivi

La scoperta che l'orologio circadiano delle piante e quello degli animali condividono meccanismi molecolari simili (feedback loop di proteine che si attivano e si reprimono reciprocamente con periodo di 24 ore) ha aperto una finestra sulla biologia evolutiva fondamentale. Le proteine CRY (criptocromi): nelle piante, le criptocrine sono recettori della luce blu che sincronizzano l'orologio. Negli animali (incluso l'uomo), le criptocrine (CRY1 e CRY2) sono componenti centrali dell'orologio circadiano (componenti del complesso repressore PER/CRY). Stessa proteina, funzione differente: sensore della luce nelle piante, componente dell'orologio interno negli animali. L'evoluzione ha riciclato lo stesso strumento molecolare per funzioni leggermente diverse. TOC1 nelle piante e BMAL1/CLOCK negli animali: strutturalmente non identiche, ma funzionalmente analoghe come driver positivi del ciclo circadiano. Implicazioni per la medicina circadiana: la ricerca sull'orologio circadiano delle piante (più facile da studiare per la disponibilità di mutanti genetici) ha accelerato la comprensione dell'orologio umano. La medicina circadiana (chrono-medicine) studia come il timing dei farmaci, dei pasti e delle terapie in relazione all'orologio biologico umano possa migliorarne l'efficacia. Le piante, con il loro sistema circadiano molecolarmente accessibile, sono state il modello che ha aperto questa strada.