Leaf proteomics of seagrasses under light conditions and salinity

Abstract

Le fanerogame marine, nel nostro studio limitate alle seagrasses, si sono adattate per occupare vaste estensioni dei fondi litorali e hanno dovuto sviluppare diversi adattamenti per poter vivere completamente sommerse. Le seagrasses non possono crescere in profondità dove non arriva almeno il 10% della luce in superficie, per questo si situano sempre sul piano infralitorale. In acque molto chiare, possono essere presenti fino a 70 m di profondità, però in mari con acque più torbide non superano i 15-20 m. Per tutte queste ragioni, queste formazioni vegetali sommerse rivestono un importante ruolo nella biologia e nella dinamica costiera. Posidonia oceanica è una specie esclusiva del mar Mediterraneo. Mentre Cymodocea nodosa è, dopo Posidonia oceanica, la seconda seagrass del Mediterraneo per estensione delle sue praterie ed è una specie di origine tropicale, attualmente ambientata nel Mediterraneo e nell’Atlantico nordorientale, dal sud del Portogallo fino al Senegal, includendo le isole Canarie. Rispetto a P.oceanica presenta una maggiore tolleranza agli aumenti di salinità. In questo lavoro è stata analizzata l’espressione proteica in Posidonia oceanica e Cymodocea nodosa sottoposte a diversi regimi luminosi e concentrazioni saline. L’analisi ha riguardato specificamente il proteoma foliare e il sub-proteoma del cloroplasto, attraverso l’estrazione delle proteine, separazione elettroforetica, analisi delle sequenze in spettrometria di massa e identificazione proteica con software bioinformatici. L’approccio proteomico così strutturato ha consentito di rilevare proteine differenzialmente espresse in popolazioni naturali adattate a tre diverse profondità. I risultati più evidenti riguardano proteine enzimatiche correlate al sistema fotosintetico PSII che risulta maggiormente espresso nelle praterie a 30 m di profondità alle 13:00, ora di massima disponibilità di luce. Altro dato rilevante è l’aumento dell’espressione degli enzimi del pathways metabolici che portano alla biosintesi di ATP, fotosfosforilazione cloroplastica e fosforilazione ossidativa mitocondriale. Sempre alla profondità di 30 m e alle 13:00, risultano overespressi gli enzimi del ciclo di Calvin-Benson rispetto ai livelli riscontrati nelle altre due profondità alla stesso tempo. Risultano invece poco espressi gli enzimi correlati alla glicolisi che raggiungono livelli molto elevati di espressione nel controllo, ossia alla profondità di 30 m nelle prime ore del mattino; anche le proteine correlate al PSI sono poco espresse in funzione delle profondità e raggiungono il minimo della loro espressione a 30 m nelle ore di massima illuminazione (13:00). Dato interessante e in apparente contraddizione con i dati di espressione dei gruppi funzionali correlati al processo fotosintetico, e la diminuzione dei livelli di espressione degli enzimi della via biosintetica delle clorofilla (a, b) alla profondità di 30 m associabili alla down-regolazione del fotosistema PSI. L’analisi delle proteine organellari ha consentito di creare un primo catalogo di proteine cloroplastiche di P. oceanica attraverso analisi dell’omologia di sequenza di proteine cloroplastiche di Arabidopsis e la loro localizzazione nei tre comparti sub-organellari (AT_CHLORO DATABASE). I cloroplasti intatti di P. oceanica sono stati ottenuti in accordo con quanto riportato in Rolland et al. 2003. Sono state identificate 74 proteine a cui è stata assegnata una diversa localizzazione e un numero di accesso corrispondente al database utilizzato. Il maggior numero di proteine identificate sono localizzate nei tilacoidi e nello stroma, mentre un numero minore di proteine sono localizzate nell’envelope. Inoltre l’8% delle proteine non hanno una esatta localizzazione nei compartimenti del cloroplasto. Infine è stato analizzato il proteoma foliare di Cymodocea nodosa esposta a stress salino in condizioni controllate in mesocosmo, dove la parziale inibizione della fotosintesi, mediante la down-regulation delle proteine e degli enzimi sia del PSII che del PSI, e la ridotta attività respiratoria ottenuta dall’analisi proteomica permette alle piante di adattarsi a questa grave condizione di stress, ma presumibilmente con vitalità ridotta, dal momento che alcune delle risorse interne necessarie per la crescita e il mantenimento della biomassa devono essere riassegnati per far fronte allo stress metabolico. Nei trattamenti ipersalini sia a breve che a lungo termine troviamo gravi alterazioni dei metabolismi primari. Inoltre, i risultati di una bassa espressione della RuBisCo nei campioni ipersalini, in accordo con Beer et al . ( 1980), suggerisce che in condizioni di stress salino il bilancio del carbonio tende a favorire una maggiore produzione di carbonio inorganico ( Ci). Si verifica, poi, un aumento degli enzimi della glicolisi per controbilanciare la richiesta di energia e quindi produrre più molecole di ATP. Anche il metabolismo vacuolare è stato influenzato dal trattamento ipersalino , infatti, l’over-espressione dell’H(+)-PPasi suggerisce che i vacuoli sono coinvolti nel sequestro del Na+. Questo potrebbe essere quindi il meccanismo che consente a C. nodosa di sopravvivere a condizioni di salinità estremamente variabili e definirla così una specie tollerante