Come studiare la comunicazione fra piante

Le piante possono essere esposte a molti fattori di stress: malattie, sbalzi di temperatura, erbivori, lesioni e altro. Pertanto, per rispondere o essere pronti a qualsiasi tipo di stato fisiologico, devono sviluppare una sorta di sistema per la loro sopravvivenza nel momento e/o per il futuro. La comunicazione delle piante comprende la comunicazione utilizzando composti organici volatili (COV) – oggetto di questo articolo – ma anche la segnalazione elettrica e l’uso di reti micorriziche comuni tra piante e una miriade di altri organismi come i microbi del suolo, altre piante (della stessa o altre specie), animali, insetti, e funghi.

Gli animali non sono gli unici organismi viventi sulla Terra in grado di comunicare: anche le piante sono straordinariamente abili nello scambio di informazioni e nella condivisione di risorse, molto più di quanto si pensi. Rilasciando nell’aria composti organici volatili (COV) o secernendo sostanze chimiche nel suolo, le piante possono comunicare tra loro, trasportare acqua e sostanze nutritive ai compagni vicini, proteggersi dai predatori e persino favorire la maturazione in altre piante.

Nelle imponenti foreste piene di migliaia di specie, può sembrare che tutti gli alberi siano costantemente in competizione tra loro in una ricerca di luce solare e acqua. Un corpus crescente di ricerche scientifiche, tuttavia, dimostra che gli alberi vivono in comune e formano alleanze, scambiano acqua e sostanze nutritive, inviano segnali di pericolo e modificano di conseguenza il comportamento, grazie a una magica rete fungina chiamata con il nome accattivante di “wood-wide web”.

Le piante comunicano fra loro, ma con meccanismi diversi da quelli animali.

Queste estensioni fungine del sistema radicale, chiamate reti micorriziche, consentono il trasferimento di acqua, sostanze nutritive, minerali e persino di segnali di allarme tra le piante. In cambio, le piante forniscono ai funghi una dieta a base di carboidrati. I giovani alberi spesso fanno affidamento su questa rete, poiché i loro alberi madri più grandi pompano acqua e sostanze nutritive (ad es. zuccheri) nei loro sistemi di radici, un processo descritto come un “allattare i loro giovani figli”.

Inoltre, la ricerca ha mostrato che le piante, come gli animali, riconoscono i loro parenti e li aiutano preferibilmente a sopravvivere, un fenomeno noto come “riconoscimento dei parenti”. Sebbene il riconoscimento dei parenti sia ancora poco studiato nel mondo delle piante, ci sono vari esempi di ciò al lavoro. Uno studio del 2017 ha dimostrato che le radici delle piante di soia evitano le radici dei vicini meno collegati, mentre quelle delle piante più correlate si avvicinano.

Le piante sono in grado di percepire i segnali di allarme chimici lanciati dai membri della propria specie, utili ad es. per attivare meccanismi di difesa.

La segnalazione e comunicazione chimica  fra le piante

Le piante, insomma, non sono entità passive, semplicemente soggette a forze ambientali, bensì organismi dinamici e altamente sensibili che cercano attivamente e in modo competitivo risorse limitate. Possono calcolare accuratamente le loro circostanze, utilizzare sofisticate analisi costi-benefici e intraprendere azioni definite per mitigare e controllare diversi insulti ambientali. In particolare, la comunicazione e la segnalazione nelle piante comprende percorsi di comunicazione sia fisica che chimica.

Le piante comunicano con gli animali: li attraggono con fiori colorati o frutti carnosi per assicurarsi che i loro fiori vengano impollinati e che i loro semi si disperdano. Usano colori, odori, sostanze attraenti e si affidano ai servizi forniti dagli animali. Le piante possono comunicare pure con altre piante, principalmente usando composti organici volatili (COV), che possono innescare specifiche risposte difensive nelle piante vicine. E le radici svolgono un ruolo cruciale nella fisiologia delle piante.

I Composti Organici Volatili (COV) conferiscono alle piante il loro odore, attirando gli insetti e migliorando l’impollinazione dei fiori.

Gli eventi di stress a livello di radice inducono la sintesi di molecole di segnalazione che consentono la comunicazione tra piante e altri organismi. Questi composti sono anche essenziali per la difesa indiretta delle piante poiché sono percepiti come “grido di aiuto” dagli organismi benefici nella catena trofica, pianta-erbivoro-carnivoro. Nonostante la sua importanza cruciale per lo sviluppo dell’intera pianta, l’apparato radicale non è stato ancora adeguatamente studiato.

Tutto ciò non lo diciamo noi, bensì il sito web del LINV, il Laboratorio Internazionale di Neurobiologia Vegetale, creato a Firenze dal prof. Stefano Mancuso, fondatore di questa disciplina e scienziato di fama mondiale. Il LINV sta esplorando il ruolo delle radici nella comunicazione delle piante e molti altri aspetti legati alla comunicazione tramite COV, che è un settore estremamente interessante anche per lo scienziato dilettante, giacché costruire un rivelatore di COV con Arduino è assai semplice.

Non soltanto gli esseri umani, dunque, hanno la capacità di comunicare. Nel mondo animale le api regine, ad esempio, emettono feromoni per controllare i lavoratori e gli aborti possono essere provocati in topi femmina gravidi solo dal loro odorare degli odori prodotti da un maschio distinto da quello che li ha fecondati. Le piante comunicano anche con segnali chimici che rilasciano nell’ambiente circostante, aiutandole a interagire con altre piante e esseri viventi, inclusi i microrganismi.

Il terpenoide verbenone è un feromone vegetale, che segnala agli insetti che un albero è già infestato da coleotteri.

Le piante rilasciano sostanze chimiche con vari scopi. Alcune specie hanno sviluppato un tipo di guerra chimica chiamata “allelopatia” per rivendicare il territorio e costringere altre piante ad abbandonare la loro terra. Rilasciando composti tossici noti come sostanze allelochimiche, le piante possono inibire la crescita e lo sviluppo dei concorrenti. Molte specie invasive – come il giacinto d’acqua –  possono prendere piede con successo in un ambiente estraneo usando questa tecnica.

Per inciso, le piante allelopatiche possono anche favorire l’agricoltura. Nella coltivazione in compagnia, le piante allelopatiche vengono piantate accanto alle piante coltivate per uso agricolo allo scopo di sopprimere la crescita di alcune erbacce, consentendo alle piante coltivate di prosperare. Il basilico, ad esempio, può fungere da pesticida naturale ed è stato dimostrato che aiuta i pomodori a superare le malattie e a migliorare il tasso di crescita. Dunque è un metodo preferibile ai pesticidi.

Un ormone vegetale noto come etilene è essenziale per la maturazione di frutta come pomodori, pesche, mele e banane. Man mano che questi frutti si sviluppano, producono maggiori quantità di etilene, che quindi evoca una risposta di maturazione. Questo forma un circuito di feedback amplificante: man mano che i frutti producono etilene in quantità crescente, diventano più maturi, causando una maggiore produzione di etilene (C2H4), che si presenta come un gas dal lieve odore dolciastro.

La maturazione accelerata di una banana indotta dal gas etilene.

Questo processo spiega perché mettere una mela matura accanto a una banana nella tua scatola del pranzo si traduca in una banana che presto diventa marrone quello stesso giorno, tutto a causa della comunicazione delle piante. Puoi verificare tu stesso la produzione del gas etilene con un sensore di gas, sulla falsariga di quanto illustreremo più avanti in questo articolo per la rilevazione dei composti organici volatili (vedi anche l’articolo Come misurare la concentrazione di gas vari, che trovi qui).

La comunicazione tramite Composti Organici Volatili (COV)

Le piante possono sicuramente comunicare: non ovviamente nel senso di parlare, ma in altri modi. Le piante, ad esempio, sono in grado di utilizzare composti chimici per segnalare tra loro e agli insetti. Quando un insetto inizia a sgranocchiare la foglia di una pianta, la pianta diventa piuttosto turbata; dopo tutto, ha bisogno delle sue foglie per produrre cibo. Nel tentativo di fermare questo grande inconveniente, la pianta rilascia composti chiamati composti organici volatili, COV o VOC in breve.

Quando vengono rilasciati, i COV possono spesso spostare l’insetto su un’altra pianta. Sebbene rivolti agli insetti, questi COV fungono anche da segnale di avvertimento per le piante vicine, sebbene forse involontario. Le piante vicine rilevano i COV nell’aria e iniziano a prepararsi per un attacco di insetti, creando i propri composti difensivi. Le intercettazioni possono avvenire pure sottoterra. Le piante vicine con radici aggrovigliate sono in grado di rilevare se un vicino è sotto attacco.

Un bruco grassoccio che sgranocchia una pianta probabilmente in difficoltà.

Come dice la massima, “il nemico del mio nemico è mio amico”. Le piante hanno sviluppato la capacità di inviare un segnale di S.O.S. utilizzando VOC specifici per attirare effettivamente determinati insetti. Questi insetti sono nemici degli insetti che sgranocchiano le foglie della pianta e aiutano a proteggere la pianta. Ad es., supponiamo che un bruco si muova e inizi a sgranocchiare la foglia della pianta. La pianta del tabacco emette allora un segnale che chiama i nemici del bruco, in particolare le vespe.

Se una vespa rileva il segnale, si dirige verso la pianta per trovare il bruco, rimuovendo il mangiatore di foglie e risolvendo il problema della pianta. Le piante, sebbene abbiano una comunicazione chimica difensiva dettagliata, usano sostanze chimiche anche per chiamare gli insetti per impollinarli. Profumi, acqua di colonia, candele profumate, deodoranti e oli essenziali sono tutti derivati ​​dalle piante! Diversi profumi chimici per piante attraggono diversi insetti impollinatori.

Un misuratore di COV autocostruito. Il sistema è costituito dal modulo sensore, da una power bank che lo alimenta e da un tester che mostra il livello di tensione in uscita dal sensore, che è proporzionale alla concentrazione del gas misurato.

Le piante, dunque, emettono COV per attirare gli impollinatori, proteggersi da determinati fattori di stress ambientale (es. gli insetti) e respingere i parassiti erbivori. I ricercatori studiano la stretta relazione tra questi composti e i microrganismi che popolano il pianeta: “Conoscere il microbiota che vive sulle piante e la loro interazione con i COV può migliorare la comprensione del contributo di queste emissioni alla composizione atmosferica e persino dei loro possibili effetti sul clima”, affermano.

Ma cosa sono i composti organici volatili? I COV sono sostanze chimiche prodotte ed emesse da piante e altri organismi in forma gassosa. Composti da carbonio, aiutano le piante nei vari modi che abbiamo illustrato. Il tipo più comune di COV sono i terpeni, gli oli che si possono trovare nella resina e nei composti aromatici e che sono responsabili dell’odore caratteristico di un fiore. Dunque, fiori e piante sono una potente sorgente di queste sostanze chimiche, che possiamo misurare.

Le risposte degli organismi ai VOC emessi dalle piante, come visto, variano a seconda dei COV. Le piante comunicano attraverso una miriade di COV, che però possono essere separati in quattro grandi categorie, ciascuna il prodotto di percorsi chimici distinti: derivati ​​di acidi grassi, fenilpropanoidi / benzenoidi, derivati ​​di aminoacidi e terpenoidi. A causa dei vincoli fisico / chimici, la maggior parte dei COV ha una massa molecolare bassa, è idrofobica e presenta elevate pressioni di vapore.

La Venus Fly Trap può emettere COV per colpire e attirare in modo specifico le prede affamate.

I terpenoidi sono una grande famiglia di molecole biologiche (simili ai terpeni nel loro scheletro del carbonio) con oltre 22.000 composti. Essi facilitano la comunicazione tra piante e insetti, mammiferi, funghi, microrganismi e altre piante. Possono agire sia come attrattivi che repellenti per vari insetti. Ad esempio, i coleotteri (Tomicus piniperda) sono attratti da alcuni monoterpeni prodotti dai pini scozzesi (Pinus sylvestris), mentre vengono respinti da altri (come il verbenone).

La gascromatografia – spettroscopia di massa (GC-MS) è stata impiegata per identificare una varietà di COV prodotti da piante, ma per misurare i COV nel loro insieme possiamo usare un rivelatore di gas autocostruito come quello illustrato nel ns. articolo Come misurare la concentrazione di gas vari, che trovi qui. Basterà semplicemente usare un tipo diverso di sensore, dopodiché tutto il resto – compresa la procedura per stimare quantitativamente la concentrazione di tali gas – è la medesima.

Un modulo sensore di COV low-cost compatibile con Arduino. Puoi trovare alcuni sensori di VOC qui, o usare quelli della serie MQ, reperibili invece qui.

Date le prove scientifiche accumulate, possiamo concludere che sia i COV individuali che quelli combinati sono importanti nelle comunicazioni delle piante, ma – ciò che è più importante – dipende dalla concentrazione. Poiché i singoli COV non sono specifici per specie, è il rapporto di miscelazione che determina la specificità delle comunicazioni pianta-pianta mediate da COV nelle conspecie, riducendo il rischio di intercettazione da parte di altre specie.

Un modo semplice per indurre le piante a produrre COV – e che può costituire un affascinante esperimento per un dilettante dotato di un rivelatore di COV (ma anche con altri tipi di sensori della serie MQ dovreste “vedere” qualcosa è quello di procurare alle piante una “ferita”. Ciò può voler dire mettergli sopra dei bruchi o, più semplicemente, il creare ferite meccaniche strappando foglie o rametti. Ciò produce infatti risposte simili a quelle provocate dagli insetti o dai parassiti erbivori, e anche elettriche.

Il coinvolgimento dei segnali elettrici nell’allerta locale e sistemica nelle piante è stato postulato nel 1992, quando è stato scoperto che la ferita meccanica nei cotiledoni di pomodoro provoca la trasmissione di un potenziale d’azione alla prima foglia non ferita. Di recente, è stato dimostrato che la ferita meccanica sulla punta delle foglie di Arabidopsis genera, in pochi secondi, cambiamenti del potenziale di superficie attivato dalla ferita (WASP) conseguenti a una depolarizzazione della membrana plasmatica. Vedi anche qui.

Possiamo allestire una batteria di misuratori di gas differenti, come abbiamo illustrato in un articolo specifico sui rivelatori di gas, per testare in contemporanea le emissioni delle piante nelle più svariate situazioni.

Altri usi dei COV da parte delle piante e idee per esperimenti

Le piante non usano i COV solo a proprio vantaggio; queste sostanze aiutano le piante anche a interagire con i batteri e i funghi che le ricoprono. Le parti fuori terra delle piante (conosciute in microbiologia come la fillosfera in riferimento all’habitat fornito ai microrganismi) sono principalmente colonizzate da batteri e in misura minore da funghi, in modo simile a quanto accade anche con le radici. Possono esserci fino a 10 milioni di batteri per centimetro quadrato di superficie fogliare.

I VOC emessi dalla pianta determinano quale microbiota vivrà nella fillosfera: si tratta di microrganismi che sono in grado di nutrirsi dei composti e sono resistenti a determinati VOC con proprietà antimicrobiche. In effetti, è possibile che su ogni tipo di tessuto vegetale possano esserci diversi tipi di microrganismi, proprio come nel caso degli esseri umani. I batteri che vivono sulla nostra pelle sono diversi da quelli nell’intestino, in modo simile al modo in cui si prevede che anche il microbiota su fiori e foglie sia diverso.

Il microbiota, a sua volta, può produrre i propri COV, che si mescolano con quelli della pianta. Ad esempio, i microrganismi di fiori e frutti influenzano l’aroma di ciascuno. Inoltre, le molecole gassose rilasciate da funghi e batteri possono aiutare la crescita delle piante, la resistenza a diversi tipi di stress e prevenire gli attacchi di agenti patogeni dei microrganismi. Insomma, se volete divertirvi a misurare e monitorare con un sensore i COV prodotti dalla natura, ora avete una bella lista di sorgenti da analizzare.

Il ciclo dei COV legato alle piante ed all’ambiente circostante, che oggi si sta iniziando a studiare, è molto interessante per capire le interazioni fra gli organismi diversi in natura.

Se dunque applichiamo pesticidi alle colture per eliminare le infezioni microbiche, non stiamo solo eliminando i microrganismi infettivi. Stiamo anche uccidendo i microrganismi che sono naturalmente sulla pianta e che modificano o partecipano a caratteristiche importanti come l’odore dei fiori. In questo modo, la risposta degli impollinatori potrebbe essere diversa e potrebbe avere ripercussioni negative sulla produzione agricola. Ecco perché i pesticidi non sono una buona idea.

Nel 2006, alcuni ricercatori (Runyon et al.) hanno dimostrato come la pianta parassita Cuscuta pentagona utilizza i COV per interagire con vari ospiti e determinare le posizioni. Le piantine di foraggio mostrano una crescita diretta verso le piante di pomodoro (Lycopersicon esculentum) e in particolare verso i volatili delle piante di pomodoro. Ciò è stato testato coltivando una piantina di erba infestante in un ambiente contenuto, limitato, collegato a due diverse camere.

Una camera conteneva VOC di pomodoro mentre l’altra aveva piante di pomodoro artificiali. Dopo 4 giorni di crescita, la piantina dell’erbaccia dodder ha mostrato una crescita significativa verso la direzione della camera con VOC di pomodoro. I loro esperimenti, che possono essere facilmente replicati da un dilettante, hanno anche dimostrato che le piantine di piante infestanti potrebbero distinguere tra COV di grano (Triticum aestivum) e volatili delle piante di pomodoro.

In laboratorio si possono effettuare molti esperimenti sulla comunicazione delle piante.

Infatti, quando una camera è stata riempita con ciascuno dei due diversi COV, le erbe infestanti sono cresciute verso le piante di pomodoro mentre uno dei COV di grano è risultato repellente. Questi risultati dimostrano che i composti organici volatili determinano le interazioni ecologiche tra le specie vegetali e mostrano con significatività statistica che l’erba dodder può distinguere tra diverse specie di piante rilevando i composti organici volatili prodotti. Provare per credere!