Identificato un nuovo adattamento evolutivo che rende più efficiente la fotosintesi delle piante marine. La scoperta apre nuove prospettive per migliorare la produttività delle colture agrarie. Come riesce Posidonia oceanica a crescere rigogliosa fino a 50 metri di profondità, dove la luce è estremamente scarsa e composta quasi esclusivamente da radiazioni blu? La risposta arriva da uno studio pubblicato sulla rivista Nature Communications, a cura della Stazione zoologica Anton Dohrn di Napoli e dell’Università di Verona, con il Cnr e il Politecnico di Milano, che ha identificato uno specifico adattamento evolutivo grazie al quale questa pianta marina ha ottimizzato il proprio apparato fotosintetico per sfruttare al massimo la limitata luce disponibile sui fondali.
La ricerca, intitolata Structural and spectral adaptation of the seagrass Posidonia oceanica photosystem I to seabed light, dimostra che P. oceanica ha modificato nel corso dell’evoluzione la struttura del proprio fotosistema I, sviluppando un sistema di cattura della luce più esteso rispetto a quello delle piante terrestri e, allo stesso tempo, accelerando il trasferimento dell’energia luminosa verso il centro di reazione della fotosintesi. Una strategia che le consente di mantenere un’elevata efficienza fotosintetica anche in ambienti marini con ridotta disponibilità di luce.
Tra 70 e 100 milioni di anni fa, un gruppo di piante terrestri, tra cui Posidonia oceanica, ha colonizzato l’ambiente marino. Dopo essersi evolute dalle alghe marine ed aver conquistato la terraferma, le piante superiori sono tornate a vivere sul fondo del mare, dando origine a vaste praterie sommerse, alcune più che millenarie, che oggi rappresentano uno degli ecosistemi più importanti del pianeta per biodiversità, produttività biologica e capacità di sequestro del carbonio.
L’ambiente in cui vive P. oceanica è però estremamente difficile per una pianta terrestre. Con l’aumentare della profondità, l’acqua assorbe quasi completamente i fotoni rossi e infrarossi, lasciando filtrare prevalentemente luce blu, meno efficiente nel sostenere l’attività fotosintetica. Nonostante queste condizioni, la pianta mantiene una produttività sorprendentemente elevata, un fenomeno la cui base evolutiva era rimasta finora poco conosciuta.
Per ricostruire questo meccanismo, il progetto ha riunito competenze di ecologia marina, fisiologia vegetale, biologia molecolare e strutturale e fisica quantistica. Il campionamento delle piante a diverse profondità nei dintorni dell’isola di Ischia, nel golfo di Napoli, e gli studi ecologici ed evolutivi sono stati condotti presso la Stazione Zoologica Anton Dohrn (Gabriele Procaccini e Irene Olivé). Grazie alla crio-microscopia elettronica dell’Eye lab del Consiglio nazionale delle ricerche (Gennaro Sanità ed Emanuela Esposito) e alle analisi strutturali dell’Università di Verona (Antonello Amelii, Zeno Guardini, Stefano Capaldi, Luca Dall’Osto e Roberto Bassi), i ricercatori sono riusciti per la prima volta a ricostruire la struttura tridimensionale del fotosistema I di Posidonia oceanica con risoluzione atomica.
Le analisi hanno rivelato che P. oceanica possiede un sistema antenna, costituito da complessi pigmento-proteina incaricati di catturare la radiazione luminosa, molto più esteso e complesso rispetto a quello delle piante terrestri. Questa caratteristica aumenta la capacità di intercettare i pochi fotoni disponibili sui fondali marini.
Un’antenna più estesa comporta però anche un limite: l’energia luminosa deve percorrere una distanza maggiore per raggiungere il centro di reazione del fotosistema, il motore della fotosintesi, con un conseguente aumento del rischio di dispersione e una possibile riduzione dell’efficienza del processo.
Per comprendere come P. oceanica riesca a superare questo limite, i ricercatori del Politecnico di Milano (Mattia Russo, Margherita Maiuri e Giulio Cerullo) hanno utilizzato una tecnica avanzata, la Spettroscopia bidimensionale elettronica (2des), che consente di seguire il trasferimento dell’energia all’interno del fotosistema su una scala temporale dell’ordine dei femtosecondi, pari a un milionesimo di miliardesimo di secondo.
Il risultato più significativo dello studio è l’identificazione di un raffinato adattamento molecolare. Nel corso dell’evoluzione Posidonia ha rinunciato ad alcune conformazioni della clorofilla, che producono un fenomeno ottico noto come “forme spettrali rosse”, che nelle piante terrestri favoriscono la vita negli ambienti ombrosi, come il sottobosco. Al loro posto ha selezionato configurazioni molecolari che accelerano il trasferimento dell’energia verso il centro di reazione della fotosintesi. In questo modo compensa le maggiori dimensioni del sistema antenna e riesce a sfruttare con elevata efficienza la limitata luce disponibile sui fondali marini.
Le ricadute della ricerca vanno ben oltre lo studio degli ecosistemi marini. Comprendere i meccanismi che permettono a P. oceanica di utilizzare la luce con un’efficienza così elevata apre infatti nuove prospettive per la biologia sintetica delle piante coltivate, una tecnologia recentemente approvata dal Parlamento europeo. Colture progettate per imitare il funzionamento fotosintetico di Posidonia potrebbero sfruttare meglio la luce disponibile, aumentando le rese agricole senza incrementare il consumo di suolo. Una prospettiva di particolare interesse in un contesto caratterizzato dalla crescente domanda alimentare e dagli effetti dei cambiamenti climatici.
Lo studio è stato sostenuto da finanziamenti europei, tra cui il progetto Advanced Grant “GrinSun”, dell’European Research Council (ERC), di cui sono titolari Roberto Bassi e Luca Dall’Osto dell’università di Verona, e quello da EMBRC-IT “Photo-SEA”, assegnato ad Antonello Amelii e dedicato allo studio degli adattamenti fotosintetici delle piante marine.
Elisa Innocenti
