Hai mai avuto un brutto caso di jet lag? Quella sensazione terribile che provi quando scendi da un volo a lunga distanza con il tuo corpo che ti dice che è ora di andare a dormire, ma il mondo esterno ti dice che è ora di fare colazione? Questi sono gli effetti biologici dell’orologio interno corporeo, noto anche come orologio circadiano.

Anche le piante, i funghi e persino alcuni batteri hanno un ritmo circadiano. Le prime osservazioni di un orologio interno al corpo nelle piante risalgono all'antica Grecia, quando il capitano di una nave studiò l'apertura e la chiusura giornaliera delle foglie di un tamarindo. Le prime osservazioni sistematiche dei ritmi circadiani delle piante furono condotte nel 1700 dallo scienziato francese Jean-Jacques d'Ortous de Mairan, che studiò l'apertura e la chiusura ritmica delle foglie di Mimosa pudica. De Mairan notò che questi cicli persistevano anche quando la pianta era in costante oscurità. Questo dimostrava che i movimenti delle foglie non erano una risposta ai cambiamenti delle condizioni di illuminazione, ma erano controllati dalla pianta stessa.

Come le piante misurano il tempo

Ora si sa che questi ritmi sono controllati da una rete genetica presente all'interno di ogni cellula vegetale. Sono circa venti i geni che controllano il ritmo circadiano nelle piante. Questi geni si attivano e si disattivano a vicenda in un circuito complicato, generando un ritmo di 24 ore. Alcuni geni vengono attivati all'alba, seguiti dai geni necessari più tardi nella mattina, ma spenti nel pomeriggio. Ad esempio, i geni associati alla fotosintesi vengono tipicamente attivati al mattino per sfruttare al massimo la luce del giorno, mentre i geni associati alla crescita e allo sviluppo sono normalmente attivi di notte. Gli esperimenti di laboratorio dimostrano che, se uno qualsiasi di questi geni di controllo circadiano è mutato, allora l'orologio della pianta può accelerare per dare un ritmo più breve, rallentare per dare un ciclo più lungo, o smettere del tutto di funzionare.

Molte persone associano comunemente le piante alle aree verdi, essenziali per l'aria pulita, considerandole organismi semplici. Ma, un cambiamento radicale nella ricerca sta sconvolgendo il modo in cui gli scienziati pensano alle piante come molto più complesse e simili a noi di quanto si possa immaginare. Questo fiorente campo della scienza è troppo vasto. Le piante con geni circadiani mutati non solo hanno orologi più veloci o più lenti, ma la loro capacità di fotosintetizzare, crescere e riprodursi è danneggiata. Una pianta con un orologio circadiano fuori sincrono crescerà solo fino alla metà delle dimensioni di una pianta normale in condizioni di laboratorio.

Quasi ogni processo che gli scienziati hanno esaminato nelle piante è regolato in qualche misura dall'orologio interno. Esso controlla l'apertura e la chiusura dei pori degli stomi sulla parte inferiore di una foglia, lo scambio di gas nella fotosintesi, la crescita del fusto e delle radici, la fioritura stagionale e la "guerra chimica" tra le piante e gli animali che le mangiano. Questo avviene quando alcune piante producono sostanze chimiche tossiche per gli animali, se ingerite. Sebbene la maggior parte della ricerca sui ritmi circadiani delle piante sia stata condotta in laboratorio, c'è un interesse crescente su come questa possa essere applicata all'agricoltura per affrontare le sfide della sicurezza alimentare globale.

Pronti per il futuro

Approfondire la conoscenza degli orologi circadiani delle piante potrebbe aumentare significativamente il rendimento delle colture e controllare il momento della fioritura delle piante per adattarsi al cambiamento climatico. Diversi studi hanno scoperto che le piante sono più sensibili agli erbicidi a seconda dell'ora del giorno in cui vengono applicati. Poiché molte piante hanno orologi simili, possiamo applicare i risultati di laboratorio alle specie coltivate. Diversi studi hanno dimostrato che le modifiche naturali nei geni sono associate a progressi nell'agricoltura.

Ad esempio, i pomodori venivano originariamente coltivati in America centrale dove le lunghezze dei giorni non cambiano molto durante l'anno. Quando le persone hanno iniziato a coltivare il pomodoro domestico in latitudini più settentrionali, hanno selezionato involontariamente una varietà con una mutazione naturale che ha causato un orologio più lento. Ciò significava che le piante di pomodoro erano in grado di sfruttare meglio le lunghe giornate estive e fotosintetizzare per più tempo.

Con lo sviluppo dell'agricoltura verticale, c'è un enorme interesse nel comprendere le risposte circadiane delle piante alla luce, in modo che i sistemi di illuminazione possano essere progettati per massimizzare la crescita riducendo il consumo energetico. Comprendere il ritmo interno della pianta potrebbe aiutare ad ottimizzare la crescita delle piante, a controllare il momento migliore per l'irrigazione e ad indicare quando utilizzare fertilizzanti o altri prodotti chimici impiegatiati in agricoltura. Le piante sono molto più complesse di quanto molte persone si rendano conto. La sfida ora è applicare quella conoscenza all'agricoltura.