L’indagine più approfondita e potenzialmente importante legata alla capacità della melatonina di influenzare la resa delle coltivazioni è stata condotta da Wei e collaboratori [276] che hanno utilizzato la soia come pianta modello. La soia rappresenta una delle coltivazioni agricole più importanti del mondo; è ampiamente usata per la produzione di olio di semi, come mangime per il bestiame, per la produzione di biocombustibili e come fonte importante di proteine nella dieta umana [277]. L’enorme valore di questa coltivazione è sottolineata dal fatto che la produzione mondiale è aumentata costantemente dal 1961 e si prevede di raggiungere 372 milioni di tonnellate entro il 2030. Per raggiungere questo obiettivo, il rendimento delle coltivazioni di soia deve essere aumentato notevolmente nei terreni utilizzati. Per questo motivo c’è un bisogno urgente di individuare dei mezzi per aumentare la produzione di soia sui terreni attualmente disponibili [278]. Ovviamente, sarebbe di grande importanza economica individuare un qualsiasi mezzo che possa contribuire ad allargare la produzione di soia, o di qualsiasi Agriproduct.

Come aspetto di uno studio volto a valutare l’azione della melatonina sulla crescita e la tolleranza allo stress abiotico di piante di soia coltivate da semi trattati con melatonina, Wei et al. [276] hanno misurato anche la resa di semi di soia. Per l’esperimento, i semi di soia (Glycine max SuiNong 28 SN28) sono stati inizialmente ricoperti con 500 μL/100 semi con un reagente che non conteneva melatonina o conteneva melatonina a concentrazioni di 50 μM o 100 μM. Dopo il trattamento, i semi sono stati essiccati a temperatura ambiente e poi seminati nel terreno pre-innaffiato. Dopo la germinazione, le piante sono state coltivate in una serra illuminata dal sole che si trova a 40° 22’N e 116° 22’E (Pechino, Cina). Le caratteristiche agronomiche che sono state registrate hanno incluso il numero di cialde di soia per pianta, il numero di semi per baccello e il peso di 100 semi. Le concentrazioni di melatonina selezionate per questo studio erano basate su osservazioni di Hernandez-Ruiz et al. [253] che suggerivano che concentrazioni di melatonina 200 μM migliorano la crescita di piante di lupino. Wei et al. [276] hanno rilevato che l’esposizione alla melatonina 50 μM e 500 μM ha migliorato la germinazione dei semi e le piante hanno sviluppato delle foglie più grandi; questo è stato statisticamente verificato quando le foglie trifogliolate di piante di 5 settimane di età piante trattate con melatonina sono state confrontate con quelle di piante di controllo.

Un effetto stimolante simile della melatonina è stato notato sul mais e sul cetriolo di produzione da Posmyk e colleghi [229,248,263]. In questi studi, piuttosto che il rivestimento dei semi con la melatonina come descritto da Wei et al. [276], gli autori hanno trattato i semi in una soluzione melatonina nella notte. Questo trattamento ha provocato un marcato aumento dei livelli di melatonina nei semi e, quando sono germogliati e coltivati a maturità, le piante risultanti portavano più prodotto, vale a dire, mais e cetrioli, rispetto alle piante cresciute da semi trattati solo con acqua.

É estremamente importante che studi come quelli di Wei et al. [276] e Posmyk e colleghi [229,248] possano essere ampliati. Se viene verificata l’ipotesi che la melatonina migliora la resa delle coltivazioni su larga scala, questo potrebbe rivelarsi, almeno in parte, una soluzione al problema di produrre più prodotto senza l’utilizzo di un terreno più grande. La melatonina è facile da sintetizzare in forma pura ed è poco costosa, quindi il suo uso potrebbe rivelarsi un’applicazione pratica di questo indolamina. I risultati sopra riassunti potrebbero anche essere di particolare interesse per un altro motivo. I rapporti mostrano che l’applicazione della melatonina esogena sui semi, sia per rivestimento che per incubazione, ha avuto un effetto sulla crescita delle piante e la produzione di coltivazione per tutto il ciclo di vita della pianta [229,248,263,276]. Poiché non sarebbe poi così difficile pretrattare i semi con melatonina prima della semina su larga scala, come descritto, sarebbe probabilmente fattibile l’applicazione della melatonina per migliorare la produzione agricola. Sarebbe anche interessante determinare se le piante germinate e cresciute da semi trattati con melatonina siano più tolleranti allo stress o se la composizione dei nutrienti della coltivazione viene modificata.

Considerando l’importanza della melatonina esogena applicata per arricchire la resa delle coltivazioni, le conseguenze di una upregolazione della sintesi endogena della melatonina nelle piante devono essere valutate in termini di produzione agricola. Negli ultimi anni sono stati fatti notevoli progressi e sono state scoperte nuove informazioni relative al percorso di biosintesi della melatonina nelle piante [279-282].

Anche se questa via di sintesi è leggermente diversa da quella degli animali [239,283,284] (Figura 19), tuttavia, il triptofano è il precursore comune in tutte le specie e la formazione della melatonina a partire dalla serotonina segue lo stesso processo a due fasi nelle piante così come negli animali [280,281,285]. Nelle piante, i cloroplasti possono rappresentare un importante sito di produzione della melatonina [286,287]. Sono stati clonati i geni per gli enzimi della via sintetica della melatonina vegetale [288,289]. La manipolazione della sintesi endogena della melatonina nelle piante che utilizzano le tecnologie transgeniche è certamente fattibile ed è già stata messa a punto per due specie [290]. Ad oggi la modulazione genetica della via della melatonina endogena nelle piante, allo scopo di incrementare la produzione delle colture, però, non è stato portata ancora a termine.

Sun e colleghi [291] hanno testato gli effetti della melatonina nella maturazione post-raccolta dei BMEI pomodorini. I frutti sono stati raccolti nella fase verde dello sviluppo. Dopo la raccolta, sono stati collocati in una delle diverse soluzioni di melatonina (1, 50, 100 o 500 μM) per 2h. Successivamente, i pomodori sono stati mantenuti ad una temperatura di 15°C e 80% di umidità relativa per 25 giorni. L’esposizione alla melatonina ha marcatamente avanzato i livelli di licopene e lo sviluppo del colore (Figura 20) e ha stimolato l’espressione di diversi geni chiave inclusi quelli della fitoene sintasi 1, della carotenoidi isomerasi e delle acquaporine. Inoltre, i frutti trattati con melatonina hanno mostrato un rammollimento significativamente accelerato, un contenuto elevato di pectina solubile in acqua e protopectina diminuita. Questi cambiamenti sono stati accompagnati da un upregolazione di proteine che modificano la parete cellulare, tra cui la poligalatturonasi, la pectina isomerasi 1, la β-galattosidasi e l’espansione 1. La melatonina ha anche influenzato la sintesi dell’etilene, la percezione dell’etilene ed il signaling dell’etilene. L’etilene svolge un ruolo importante durante la maturazione dei pomodori a causa del suo ruolo di regolazione o in quanto coinvolto nella sintesi del carotenoide licopene, migliorando la degradazione della parete cellulare e la conversione di amido in zuccheri [292]. É chiaro da questi risultati che la melatonina accellera lo sviluppo del colore e del sapore del frutto di pomodoro con la sua azione sulla sintesi dell’etilene nello stato di post-raccolta. Il colore ed il sapore sono, naturalmente, i principali aspetti distinguibili della qualità della frutta. Questi risultati sono applicabili non solo al pomodoro ma probabilmente ad altri prodotti orticoli. Migliorare la qualità del prodotto riduce gli sprechi di prodotto.

Estratto della tesi “La Melatonina nel mondo vegetale (Fitomelatonina): proprietà terapeutiche e prospettive future” del Dr. Giorgio Guerrini

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