Sulla Terra è la forza di gravità che aiuta le piante a trovare il percorso più facile per arrivare alle sostanze di cui hanno bisogno per crescere e prosperare, ossia acqua e sali minerali. L’apice delle radici che penetrano nel terreno è protetto da una struttura detta cuffia, al cui interno si trova una regione chiamata columella che rappresenta il sito in cui avviene la percezione della gravità. Le cellule della columella contengono particolari grani d’amido (amiloplasti detti statoliti), liberi di muoversi e quindi soggetti alla forza di gravità. Grazie a questi grani la pianta riesce a percepire le variazioni nella posizione che innescano le reazioni di crescita.
Ma cosa succede a una pianta quando la gravità è assente?
I semi sono allineati lungo una membrana all’interno della cassetta e portati a germinazione prima di essere esposti alla gravità simulata con Emcs. Crediti: NASA.
I botanici dell’Ohio Weslyan University stanno usando la Stazione Spaziale Internazionale per studiare come crescono le radici e i sistemi sensoriali delle piante in condizioni di microgravità, nell’ambito di una missione nota come Plant Gravity Perception. I ricercatori stanno studiando l’adattabilità delle piante alla microgravità e la loro sensibilità generale alla gravità simulata, per diversi ceppi di giovani piantine di senape, tra cui la Arabidopsis Thaliana selvatica e una sua variante geneticamente modificata senza amido. Nella variante selvatica, i grani di amido percepiscono la gravità e cadono all’interno delle punte della radice, spingendole verso la Terra. Il fulcro dell’indagine guidata dal botanico Chris Wolverton, Principal Investigator di Plant Gravity Perception risiede nella domanda: «Qual è il minimo valore di gravità che le piante riescono a percepire, tale da indurre la caduta degli amilacei nelle loro cellule?».
Lo studio espone entrambi i ceppi a quantità incrementali di gravità che vanno da quattro millesimi di g (ossia, 0.004 g), fino a un massimo di un g, che è la forza gravitazionale (costante) di cui risentono le piante sulla Terra. Perché includere due tipi di piantine? Perché se la soglia per il ceppo contenente amido è poco conosciuta, i meccanismi di risposta della variante senza amido sono ancora più misteriosi.
Crescita di Arabidopsis all’interno delle cassette dell’Emcs. Credits: Chris Wolverton.
Plant Gravity Perception si serve della facility Emcs (European Modular Cultivation System), un incubatore con due rotori che sono in grado di simulare la gravità. Le piantine vengono dapprima poste in cassette per i semi, quindi vengono allineate lungo le pale radiali di un rotore centrifugo. Ciò consente ai ricercatori di controllare l’intensità della forza gravitazionale che agisce in ogni punto, lungo i bracci di rotazione, simulando centinaia di valori frazionari di gravità in una sola volta, controllati attraverso differenti velocità di rotazione. Proprio come avviene nelle giostre meccaniche presenti al luna park, che fanno ruotare i passeggeri con velocità crescenti fino a diversi giri al minuto, schiacciandoli contro alle pareti della giostra stessa, in questo test la forza gravitazionale viene aumentata progressivamente per stimare le capacità percettive delle piantine. Mentre le braccia della centrifuga girano, gli scienziati cercano di individuare dove si ha un inizio della risposta alla crescita. La risposta più interessante dovrebbe arrivare dalla variante senza amido. Anche queste piantine dovrebbero avere lo stesso sistema di percezione sensoriale della variante selvatica, sebbene si presume rispondano a soglie più alte, visto che non hanno i granuli di amido in grado di muoversi in base alla gravità. Oppure potrebbero usare un sistema completamente diverso per determinare la direzione della crescita. Ovviamente, quando la centrifuga è disattivata, gli scienziati sono in grado di misurare la risposta della piantina alla microgravità e stabilire una linea di base.
Le cassette di semi usate per caricare i campioni nell’Emcs sono sviluppate e testate da NASA AMES. Crediti: Chris Wolverton.
Essendo organismi fotosintetici, la crescita delle piante è molto sensibile anche alla luminosità. Con il progetto Plant Gravity Perception, i ricercatori stanno studiando anche la risposta delle piantine a segnali luminosi, per cercare di capire se esiste una relazione tra la percezione della luce e la percezione della gravità. Attraverso i filmati degli esperimenti, i botanici sono in grado di trovare le risposte a queste loro domande e capire come gravità e luce riescano a influenzare la crescita delle piante.
Le piantine del programma Plant Gravity Perception non finiranno mai nei piatti degli astronauti che stanno compiendo questi esperimenti, ma i loro studi permetteranno di selezionare le piante che hanno le migliori capacità di crescere e svilupparsi nello spazio, in vista dei futuri voli spaziali di lunga durata.
Per quanto riguarda le applicazioni sulla Terra, Wolverton osserva che la percezione della gravità nelle radici influenza vari aspetti della pianta, in particolare: «La percezione della gravità nella pianta influenza la sua efficienza, quanto la pianta è sensibile alle condizioni di siccità, alle inondazioni, ai fertilizzanti». Inoltre, aggiunge Wolverton: «Riuscendo a capire meglio come la gravità viene percepita dalle piante, si apriranno tutta una serie di nuove possibilità legate all’allevamento della piante stesse, nonché a loro possibili mutazioni genetiche». Ciò consentirebbe agli agricoltori di selezionare la crescita radicale adeguata a diversi livelli di concimazione, composizione del terreno e ambienti estremi.