Possedere più di due set completi di cromosomi può essere un ostacolo alla sopravvivenza a lungo termine di una linea vegetale, ma gli scienziati stanno anche trovando prove che probabilmente è alla base di qualche innovazione evolutiva.
L’ereditarietà improvvisa di intere serie di copie extra di geni può aggiungere ridondanza alle normali serie di funzioni di un organismo, consentendo di fatto ad alcune di quelle copie di evolversi ed esprimersi in modi completamente nuovi.
Nel caso della pianta carnivora dell’Asia orientale, questa libertà di mutazione potrebbe aver addirittura perfezionato la sua capacità di catturare la preda e soddisfare il suo appetito per la “carne”.
Questo è solo uno dei risultati di un nuovo studio che sequenzia il genoma della Nepenthes gracilis, una specie di pianta carnivora imparentata con le acchiappamosche di Venere, così come la drosera, le barbabietole e gli spinaci.
“I nostri risultati non solo forniscono informazioni chiave sul panorama adattivo del genoma del Nepenthes, ma ampliano anche la nostra comprensione di come la poliploidia – avendo più set di cromosomi – può stimolare l’evoluzione di nuove funzioni”, afferma Victor Albert, PhD, Empire Professore di innovazione presso il Dipartimento di Scienze Biologiche dell’Università di Buffalo, all’interno del College of Arts and Sciences.
Albert è l’autore co-senior dello studio, che è stato pubblicato giovedì (23 novembre) in Piante naturali, insieme a Kenji Fukushima, PhD, dell’Università di Würzburg in Germania. Altri contributori di UB includono Charlotte Lindqvist, PhD, professoressa di scienze biologiche e le studentesse di dottorato Emily Caroll e Michaela Richter.
Il lavoro di Albert è stato in parte sostenuto dalla National Science Foundation.
I sottogenomi recessivi sono più liberi di cambiare funzione
L’idea delle “piante mangiatrici di uomini” ha catturato a lungo la nostra macabra immaginazione. Le piante carnivore, tuttavia, richiedono un pasto molto più piccolo.
Catturano gli insetti utilizzando le loro foglie altamente specializzate a forma di brocca. Il fondo delle loro brocche è pieno di fluidi digestivi che annegano e alla fine abbattono la preda. Questo processo rilascia nutrienti, come azoto e fosfato, che consentono alle piante carnivore di prosperare in habitat poveri di nutrienti.
“Il carnivoro delle piante è una sorta di caccia al fertilizzante”, afferma Albert.
In uno studio del 1992, Albert e colleghi scoprirono che le piante carnivore asiatiche, australiane e americane possiedono caratteristiche simili nonostante si siano evolute in modo indipendente. Una ricerca successiva pubblicata nel 2017 ha mostrato che ciascuna di queste specie ha cooptato molte delle stesse proteine antiche.
In questo nuovo studio, i team di Albert e Fukushima hanno scoperto che la trappola specializzata nella brocca della pianta carnivora asiatica, o Nepenthes, potrebbe essere stata promossa dalla poliploidia. Il lignaggio di Nepenthes si era già evoluto in carnivoro, quindi i genomi duplicati potrebbero aver semplicemente modificato la sua modalità di cattura.
Il team ha scoperto che Nepenthes ha un genoma decaploide nel suo stato diploide, una struttura complessa quasi senza precedenti nelle piante da fiore che riflette il possesso di cinque multipli dell’intero genoma, o “sottogenomi”.
Il team ha scoperto che il quinto sottogenoma è “dominante”, conserva più copie genetiche e le esprime a livelli più alti rispetto agli altri quattro sottogenomi più vecchi e “recessivi”. Eppure sono i sottogenomi recessivi – non quello dominante – che potrebbero contenere più geni chiave per il carnivoro specializzato dei Nepenthes.
“Il sottogenoma dominante mostra una maggiore influenza della pressione della selezione naturale per mantenere le funzioni genetiche”, afferma Fukushima. “Mentre i sottogenomi recessivi, influenzati meno dalla conservazione funzionale, sono diventati più liberi di variare nel corso del tempo evolutivo.”
Alcuni dei geni carnivori duplicati dei Nepenthes potrebbero essersi originariamente evoluti per difendersi da quella che alla fine divenne la loro preda. Gli enzimi che aiutano i Nepenthes a scomporre il duro esoscheletro degli insetti, ad esempio, sono stati riproposti da quelli che originariamente proteggevano le piante dall’essere mangiate da questi animali.
“Questa stirpe di Nepenthes non ha evoluto nuovi geni per diventare carnivori: ha raccolto raccolte, o kit di strumenti, di geni che erano già presenti”, afferma Albert.
Un’ipotesi suggerisce che la poliploidia abbia un effetto trascurabile sull’evoluzione a lungo termine, poiché le specie con genomi moltiplicati potrebbero andare incontro a estinzione a tassi più elevati rispetto a quelle come gli esseri umani, che hanno solo due serie di cromosomi. Tuttavia, i risultati dello studio si aggiungono alla prova che antichi eventi di poliploidia possono talvolta essere alla base dei salti evolutivi ancora visibili tra le piante oggi.
Trovate prove dell’evoluzione di piante maschili e femminili separate
La Nepenthes fa parte di quel solo 6% delle specie di piante da fiore che sono dioiche, il che significa che ogni singola pianta produce fiori maschili o femminili. In effetti, la Nepenthes è l’unica pianta carnivora dioica.
Il team di Albert e Fukushima ha anche identificato una regione del genoma specifica del maschio contenente tre geni potenzialmente responsabili del controllo di queste differenze sessuali. Uno di questi, chiamato LEAFY, è un gene chiave espresso nelle prime fasi dello sviluppo del fiore che funge da regolatore principale.
“LEAFY sembra aver avuto una forma duplicata e si è spostato nella regione del cromosoma Y di Nepenthes, divergendo successivamente nella sua funzione. Questo utilizzo di LEAFY non ha precedenti finora nelle piante da fiore”, dice Albert. “Il gene LEAFY è un regolatore così centrale tra le piante da fiore che, se aggiunto o eliminato artificialmente attraverso l’ingegneria genetica, cambierà il tempo di fioritura di una pianta.”
“Anche se ora disponiamo di prove bioinformatiche che indicano che LEAFY è uno dei geni chiave coinvolti nel meccanismo di determinazione del sesso dei Nepenthes, per dimostrarlo saranno necessari ulteriori studi sulle piante viventi”, aggiunge.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
