Riso, Notti Calde e Chicchi Gessati: Ho Trovato un Indizio nell’Istidina!

Amici appassionati di scienza e buona tavola, oggi voglio parlarvi di una questione che mi sta molto a cuore, perché tocca uno degli alimenti base per miliardi di persone: il riso. Ebbene sì, il nostro amato riso è sotto attacco, e il colpevole principale è il cambiamento climatico, in particolare l’aumento delle temperature notturne. Sembra un dettaglio, vero? Eppure, queste “notti più calde” (che gli scienziati chiamano WNT, Warmer Night Temperatures) stanno mettendo a dura prova la qualità e la resa dei chicchi, causando un problema noto come “gessatura”.

Un Problema Che Ci Riguarda Tutti: La Gessatura del Riso

Ma cos’è esattamente la gessatura? Immaginate un chicco di riso: normalmente è traslucido, quasi vitreo. La gessatura è quella parte opaca, biancastra, che a volte si nota. Si forma perché i granuli di amido all’interno del chicco sono disposti in modo meno compatto, lasciando degli spazi d’aria. Questo non solo peggiora l’aspetto, ma rende i chicchi più fragili, portando a una maggiore percentuale di rotture durante la lavorazione e, di conseguenza, a una perdita di valore economico non indifferente. Pensate, il riso fornisce oltre il 21% del fabbisogno calorico mondiale e con la popolazione globale in crescita, la sua importanza è destinata ad aumentare. Capire come contrastare la gessatura è quindi cruciale.

Nonostante se ne parli da tempo, i meccanismi metabolici precisi dietro la gessatura, soprattutto in relazione allo stress da WNT, erano ancora poco chiari. Ed è qui che entra in gioco la mia (e quella di un team di ricercatori) ultima avventura scientifica!

Un Modello Metabolico per Capire Meglio

Per svelare i misteri della gessatura, abbiamo deciso di costruire qualcosa di veramente speciale: il primo modello metabolico su scala genomica (GSM) specifico per il chicco di riso, che abbiamo battezzato iOSA3474-G. Pensatelo come una mappa incredibilmente dettagliata di tutte le reazioni chimiche che avvengono all’interno del chicco mentre si sviluppa. Un lavoro certosino, che ha coinvolto 3474 geni, 4060 reazioni e 4474 metaboliti! Per renderlo ancora più potente, abbiamo “nutrito” questo modello con dati di trascrittomica, cioè l’analisi dell’espressione genica, ottenuti da chicchi di riso coltivati in condizioni normali e sotto stress da WNT, in tre momenti diversi della giornata (alba, 7 ore dopo l’alba e tramonto). Questo ci ha permesso di vedere come il metabolismo del chicco cambia in risposta alle temperature notturne più elevate.

Abbiamo usato un algoritmo che avevamo sviluppato di recente, chiamato EXTREAM, che si è già dimostrato bravissimo nel predire come si comportano le piante di mais sotto stress termico. E i risultati non si sono fatti attendere!

Le Fasi di Crescita del Chicco e la Scoperta dell’Istidina

Analizzando i nostri modelli “contestualizzati”, cioè arricchiti con i dati sperimentali, abbiamo identificato tre distinte fasi di crescita nel chicco di riso, basate sulla disponibilità di ossigeno:

• Anossia (carenza di ossigeno)
• Normossia (livelli di ossigeno normali, ma tendenzialmente bassi)
• Iperossia (eccesso di ossigeno)

Questa è stata una scoperta interessante di per sé, perché ci ha fatto capire meglio come il chicco si riempie in diverse condizioni di ossigenazione. Ma la vera sorpresa è arrivata quando abbiamo guardato più da vicino la fase di normossia. È proprio durante questa fase, caratterizzata da una ridotta disponibilità di ossigeno e influenzata dalle temperature notturne più calde, che si manifesta la gessatura.

E qui, il nostro modello ha “urlato” un nome: istidina! Abbiamo previsto un flusso eccessivo di istidina che contribuisce alla biomassa del chicco proprio durante la normossia. In pratica, l’istidina sembra essere un marcatore metabolico di questa fase critica in cui si sviluppa la gessatura. Quando il chicco è sotto stress da WNT e in condizioni di normossia, produce più istidina che va a finire nella sua struttura. E, cosa ancora più interessante, questa sovrapproduzione non si notava nei campioni di controllo, quelli non stressati!

Abbiamo osservato che, rispetto alla fase tardiva della normossia, nella fase iniziale (quella più critica per la gessatura) il trasporto di istidina dal citosol alla biomassa era 4.38 volte maggiore. Questo amminoacido, quindi, potrebbe essere la chiave per capire e, speriamo, contrastare la formazione dei chicchi gessati.

Non Solo Istidina: Tirosina e un Enzima Preistorico

Ma le scoperte non finiscono qui. Se l’istidina è la star della normossia, per la fase di iperossia abbiamo trovato un altro marcatore: la tirosina. Anche in questo caso, un flusso maggiore di tirosina verso la biomassa caratterizzava questa fase, ma solo nelle condizioni di stress da WNT. Sembra che il chicco di riso abbia strategie metaboliche ben precise per affrontare le diverse disponibilità di ossigeno, e queste strategie vengono alterate dal caldo notturno.

E parlando di iperossia, abbiamo scovato un altro attore interessante: la monodeidroascorbato reduttasi (MDAR). Questo enzima, che gioca un ruolo chiave nel gestire lo stress ossidativo e nel metabolismo dell’ascorbato (vitamina C), sembra essere cruciale per regolare la fase iperossica. La cosa affascinante è che l’MDAR ha una storia evolutiva lunghissima, risalente addirittura all’era Carbonifera, quando i livelli di ossigeno nell’atmosfera erano molto più alti (circa il 35% contro il 21% attuale). È possibile che l’attività di questo enzima nel chicco di riso sia una sorta di “eredità” di quell’epoca remota, un meccanismo evolutosi per sopravvivere in un ambiente ricco di ossigeno. Spegnendo virtualmente l’MDAR nel nostro modello, la fase iperossica spariva, confermando il suo ruolo essenziale!

Colli di Bottiglia Metabolici e il Ruolo Chiave della Nucleoside Difosfato Chinasi

Per capire ancora più a fondo come lo stress da WNT impatta il metabolismo del chicco e la gessatura, abbiamo utilizzato un’analisi chiamata Metabolic Bottleneck Analysis (MBA). In parole povere, ci aiuta a identificare le reazioni chimiche che agiscono come “colli di bottiglia”, limitando il flusso metabolico generale e quindi la crescita o la qualità del chicco. Abbiamo esteso questa analisi per identificare anche i geni responsabili di queste reazioni “critiche”.

Ebbene, tra i vari geni identificati, uno in particolare è emerso come un regolatore centrale del flusso metabolico in diverse condizioni: la nucleoside difosfato chinasi (NDPK). Questo enzima è coinvolto nel bilancio energetico della cellula e potrebbe influenzare, ad esempio, quanta energia viene indirizzata verso la sintesi dell’amido rispetto alla parete cellulare. Abbiamo visto che l’espressione di alcuni geni NDPK cambiava significativamente sotto stress da WNT. In particolare, OsNDPK4 veniva indotto dallo stress, mentre NDPK3 diminuiva. Questi cambiamenti potrebbero alterare l’equilibrio metabolico e contribuire ai problemi di qualità del chicco.

Un altro enzima emerso come importante, soprattutto verso il tramonto in condizioni di WNT, è l’enoil-CoA idratasi, coinvolto nella beta-ossidazione degli acidi grassi. Questo suggerisce che anche il metabolismo dei lipidi gioca un ruolo nella risposta del chicco allo stress termico notturno.

Abbiamo anche analizzato l’espressione di un gruppo di geni “collo di bottiglia” in risposta temporale allo stress WNT. È emerso che 67 geni erano particolarmente attivi sotto stress WNT 7 ore dopo l’alba. Molti di questi erano legati all’ATP (la “moneta energetica” della cellula), come le subunità dell’ATP sintasi. Curiosamente, una mutazione in una subunità della H+-ATPasi vacuolare (uno di questi geni) è nota per causare un fenotipo di chicco “farinaceo”, simile a quello osservato nei chicchi sviluppati sotto WNT. Al contrario, 53 geni erano soppressi dallo stress WNT durante le ore più tarde della giornata, e tra questi c’erano geni coinvolti nella biosintesi dell’acido abscissico (ABA), un ormone importante per lo sviluppo del seme. Uno squilibrio nei livelli di ABA potrebbe quindi contribuire ai difetti di sviluppo del chicco.

Cosa Significa Tutto Questo per il Futuro del Riso?

Lo so, è tanta roba! Ma il succo è questo: integrando un modello metabolico su scala genomica con dati di trascrittomica, siamo riusciti a fare luce sulla complessa rete di reazioni che governa la qualità del chicco di riso, in particolare la sua tendenza a diventare gessato a causa delle temperature notturne più elevate.

Aver identificato l’istidina come potenziale marcatore della gessatura in condizioni di normossia e la tirosina per la fase iperossica, insieme a regolatori chiave come l’MDAR e la nucleoside difosfato chinasi, ci offre bersagli concreti. Queste scoperte non solo migliorano la nostra comprensione di come i fattori ambientali, i processi metabolici e la qualità del raccolto siano interconnessi, ma aprono anche la strada a strategie innovative per migliorare la resilienza del riso. Immaginate di poter selezionare o ingegnerizzare varietà di riso che gestiscano meglio questi “colli di bottiglia” metabolici o che non accumulino istidina in modo anomalo. Potremmo avere un riso più resistente al cambiamento climatico, garantendo cibo di qualità per una popolazione in crescita.

È un passo avanti importante, e sono entusiasta delle prospettive future. La scienza, quando si mette al servizio di problemi così concreti, può davvero fare la differenza!

Fonte: Springer