Le fanerogame marine forniscono le fondamenta di uno degli ecosistemi marini costieri più altamente biodiversi, ma vulnerabili, a livello globale. Sono nate in tre linee indipendenti dai loro antenati d’acqua dolce circa 100 milioni di anni fa e sono le uniche piante da fiore marine completamente sommerse. Trasferirsi in un ambiente così radicalmente diverso è un evento evolutivo raro e sicuramente non facile. Come hanno fatto? Nuovi genomi di qualità di riferimento forniscono indizi importanti rilevanti per la loro conservazione e applicazione biotecnologica.
Un gruppo internazionale di 38 ricercatori coordinati dal Professor Dr. Yves Van de Peer, Università di Gent, Belgio, Professor Dr. Jeanine Olsen, Università di Groningen, Paesi Bassi, Professor Dr. Thorsten Reusch, GEOMAR Helmholtz Center for Ocean Research Kiel, Germania, Dr Gabriele Procaccini, Stazione Zoologica Anton Dohrn di Napoli, Italia, e il Joint Genome Institute, Berkeley, California, Stati Uniti d’America, hanno sequenziato e analizzato i genomi di tre delle più importanti specie di fanerogame marine: l’iconica Nettuno endemica mediterranea (Posidonia oceanica), il Nettuno ampiamente diffuso (Cymodocea nodosa) e la Turtlegrass endemica dei Caraibi (Thalassia testudinum). I ricercatori hanno prima esaminato la struttura del genoma e poi hanno confrontato le famiglie di geni e i percorsi associati agli adattamenti strutturali e fisiologici, tra le fanerogame marine e i loro parenti di acqua dolce.
I loro risultati sono presentati oggi in una pubblicazione sottoposta a revisione paritaria sulla rivista scientifica Piante naturali, intitolato “I genomi delle fanerogame marine rivelano l’antica poliploidia e gli adattamenti all’ambiente marino”.
Gli ecosistemi basati sulle fanerogame marine forniscono molteplici funzioni e servizi, ad esempio come protezione contro l’erosione che preserva i paesaggi marini costieri, come punti caldi di biodiversità per animali e alghe associati e come soluzione basata sulla natura per la mitigazione del clima grazie alla loro capacità di stoccaggio del carbonio nella biomassa sotterranea. Sia la conservazione che il ripristino sono aree di intensa ricerca perché le fanerogame marine, così come le barriere coralline, si stanno perdendo a causa del riscaldamento climatico e di altri impatti umani.
Come si suol dire, “Molte mani/cervelli rendono il lavoro leggero”: per iniziare, il consorzio di ricerca ha dato uno sguardo approfondito all’evoluzione della struttura dei genomi stessi, seguito da un’analisi comparativa dei loro oltre 20.000 geni e dei percorsi rilevanti che li si sono evoluti negli adattamenti marini specifici. Successivamente, i 23 gruppi di ricerca che hanno collaborato si sono concentrati ciascuno su diversi set di geni strutturali o funzionali complementari, comprese le loro funzioni fisiologiche. Una questione chiave era se gli adattamenti genomici siano avvenuti in parallelo, o se siano avvenuti in modo indipendente e magari abbiano coinvolto anche set di geni diversi.
Il professor Dr. Olsen sottolinea: “Le fanerogame marine hanno subito una serie estremamente rara di adattamenti. Mentre il riadattamento agli ambienti di acqua dolce è avvenuto più di 200 volte nella storia evolutiva delle piante da fiore – coinvolgendo centinaia di lignaggi e migliaia di specie – le fanerogame marine si sono evolute da i loro antenati d’acqua dolce solo tre volte, coinvolgendo 84 specie. Per fare ciò è stata necessaria una tolleranza ecologica specializzata, ad esempio, all’elevata salinità, alla scarsa illuminazione, a un’ampia gamma di tolleranze di temperatura, alla cattura del carbonio sottomarino per la fotosintesi, alla diversa difesa degli agenti patogeni, alla flessibilità strutturale e alla un’impollinazione subacquea.”
Uno dei risultati principali è stato che le fanerogame marine sono state in grado di avviare un adattamento radicale attraverso la duplicazione del genoma, che è spesso associata a un grave stress ambientale.
“Il confronto tra i tre lignaggi indipendenti delle fanerogame marine, compresi i lignaggi fratelli d’acqua dolce, ha rivelato un’antica triplicazione condivisa dell’intero genoma a circa 86 milioni di anni. Questo è stato piuttosto emozionante perché a quel tempo gran parte dell’oceano era privo di ossigeno ed è anche un evento unificante coinvolgendo i tre lignaggi”, afferma il professor Dr. Van De Peer.
Inoltre, i ricercatori hanno scoperto che la ritenzione e l’espansione di alcune famiglie di geni potevano ancora essere ricondotte attraverso i blocchi sintetici trattenuti a questi primi eventi di duplicazione, ad esempio i flavonoidi per fornire protezione contro le radiazioni ultraviolette e i funghi, stimolando al contempo il reclutamento di batteri che fissano l’azoto; ossidasi di cisteina espansa per far fronte ai sedimenti ipossici e ai geni associati agli orologi circadiani. I risultati hanno anche mostrato che i “geni che saltano” – elementi trasponibili – hanno svolto un ruolo importante nella creazione di nuove variazioni genetiche su cui può agire la selezione. Ciò vale in particolare per i grandi genomi di Thalassia testudinum E Posidonia oceanica.
Il team ha anche scoperto che diversi adattamenti sono il risultato della convergenza. Ciò si applicava principalmente ai tratti che diventavano ridondanti o dannosi in un ambiente marino sommerso, altamente salino. La perdita di geni per gli stomi (i minuscoli fori sulla superficie della foglia che forniscono lo scambio di gas con l’atmosfera), la perdita di geni per le sostanze volatili e i segnali per difendersi dagli agenti patogeni e tollerare le ondate di calore marine, in particolare i fattori di shock termico, sono esempi convincenti di “uso o perderlo.”
La Dott.ssa Procaccini spiega: “È chiaro che la messa a punto dei percorsi di supporto ha giocato un ruolo dominante, piuttosto che i geni che assumono nuove importanti funzioni. La tolleranza al sale è un buon esempio in cui si è verificata una maggiore efficienza di molteplici processi per regolare il sodio , cloro e potassio. I cambiamenti evolutivi hanno anche fornito a specie diverse la capacità di resistere ad ambienti diversi.
Il professor Dr. Reusch riassume: “Le funzioni più importanti dal punto di vista ecologico sono tratti complessi, che coinvolgono l’interazione di molti geni attraverso percorsi flessibili. Con gli strumenti genomici ora sviluppati per le fanerogame marine chiave, possiamo iniziare a testarle sperimentalmente e manipolarle. Ciò è particolarmente importante per il ripristino in scenari di cambiamento climatico che coinvolgono molte delle condizioni discusse qui.”
Le nuove risorse genomiche accelereranno gli studi sperimentali e funzionali che sono particolarmente rilevanti per la gestione trasformativa e il ripristino degli ecosistemi delle fanerogame marine. Sono una risorsa formidabile per la comunità di ricerca.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
