Alghe Verdi e Sesso: Viaggio nell’Evoluzione Accelerata dei Geni!

Ciao a tutti, appassionati di scienza e curiosi della natura! Oggi voglio portarvi con me in un’avventura sottomarina, alla scoperta dei segreti evolutivi di un organismo tanto comune quanto affascinante: l’alga verde del genere Ulva, conosciuta da molti come “lattuga di mare”. Preparatevi, perché quello che sembra un semplice abitante delle nostre coste nasconde meccanismi evolutivi degni di un thriller scientifico!

Il Grande Dilemma del Sesso: Isogamia vs. Anisogamia

Partiamo dalle basi. Nel mondo della riproduzione sessuata, una delle differenze fondamentali riguarda le dimensioni dei gameti, le cellule riproduttive. Avete presente? spermatozoi piccoli e mobili, ovuli grandi e più statici. Questa si chiama anisogamia, ed è la norma per noi animali e per molte piante. Ma non è sempre stato così! Si pensa che l’anisogamia si sia evoluta dall’isogamia, una condizione in cui i gameti dei due “sessi” (o tipi di accoppiamento, “mating types”) sono morfologicamente identici.

E qui entra in gioco la nostra protagonista, l’Ulva. Quest’alga è un vero gioiello per noi scienziati perché si trova in una sorta di “terra di mezzo”: presenta un’anisogamia incipiente, cioè i suoi gameti maschili (chiamati mt-) e femminili (mt+) hanno dimensioni solo leggermente diverse. Inoltre, i suoi gameti possono svilupparsi anche senza fecondazione, un processo chiamato partenogenesi. Questa combinazione la rende un sistema modello pazzesco per studiare come la natura abbia “deciso” di passare da gameti uguali a gameti diversi, e quali pressioni evolutive abbiano spinto questo cambiamento.

Geni “Sessuati” Sotto la Lente: Una Corsa Evolutiva

Ma come si studiano queste cose? Beh, ci siamo tuffati nell’analisi dei profili di espressione dei geni durante la gametogenesi, cioè la formazione dei gameti. Abbiamo identificato i cosiddetti geni con espressione sbilanciata tra i sessi (SBGs), geni che, come dice il nome, si esprimono diversamente nei gameti mt+ e mt-.

E qui la prima, grande sorpresa: questi SBGs evolvono molto più velocemente dei geni “imparziali” (UBGs)! Come lo sappiamo? Abbiamo osservato tassi più alti di sostituzioni non sinonime (dN). In parole povere, le mutazioni che cambiano la proteina prodotta dal gene sono più frequenti negli SBGs. Questo è un chiaro segnale che questi geni sono sotto una pressione selettiva più forte. Immaginate una gara automobilistica: gli SBGs sono le auto da corsa, costantemente modificate e spinte al limite, mentre gli UBGs sono le auto di tutti i giorni, più stabili e conservative.

Abbiamo anche notato che i geni specifici del tipo mt- (i “maschietti”, per intenderci) mostrano tassi evolutivi leggermente superiori rispetto a quelli del tipo mt+ (le “femminucce”), anche se questa differenza non ha raggiunto la significatività statistica per un pelo (P=0.08). Questo suggerisce che forse, e dico forse, i geni maschili sono sotto una pressione selettiva ancora più intensa.

La Spinta della Selezione: Positiva e “Rilassata”

Ma cosa significa “pressione selettiva più forte”? Per capirlo meglio, abbiamo usato modelli evolutivi sofisticati (come i modelli branch-site e RELAX, per i più tecnici tra voi). E i risultati sono stati illuminanti! Abbiamo scoperto che una porzione significativa degli SBGs è soggetta a due tipi di forze evolutive:

• Selezione positiva: Questo significa che alcune mutazioni sono vantaggiose e vengono “premiate” dalla selezione naturale, diffondendosi rapidamente nella popolazione. È come se la natura dicesse: “Questa modifica funziona alla grande, teniamola e diffondiamola!”
• Selezione purificante rilassata: Normalmente, la selezione purificante elimina le mutazioni dannose. Quando questa pressione si “rilassa”, permette a più variazioni (anche leggermente svantaggiose) di accumularsi. Questo può portare a una più rapida diversificazione.

E indovinate un po’ quali geni mostrano spesso questi segni di evoluzione accelerata? Proprio quelli associati alla funzione dei flagelli! I flagelli sono quelle piccole “code” che permettono ai gameti di nuotare. Questo ci suggerisce che la capacità di movimento dei gameti, la loro motilità, è un fattore cruciale nella transizione verso l’anisogamia. Pensateci: se sei un gamete piccolo e devi trovare un partner, essere un nuotatore veloce ed efficiente è un bel vantaggio, no?

*Ulva*: Un Finestrino sull’Alba dell’Anisogamia

Torniamo un attimo alla nostra Ulva. Abbiamo misurato con precisione i suoi gameti usando la citometria a flusso. Ebbene sì, i gameti mt- sono risultati leggermente più piccoli (area media di 19.75 µm²) rispetto ai gameti mt+ (area media di 21.72 µm²). Una differenza sottile, ma statisticamente significativa, che conferma questa sua natura di “anisogama incipiente”.

L’Ulva vive in acque poco profonde, spesso nella zona intertidale, e ha evoluto meccanismi per rilasciare i gameti in modo sincronizzato, durante il giorno e con la bassa marea. Questi gameti, poi, mostrano fototassi positiva, cioè nuotano verso la luce. Questo comportamento massimizza le possibilità di incontro e fusione. Quindi, anche se c’è una leggera differenza di dimensioni, entrambi i tipi di gameti sono attivi e mobili.

Abbiamo analizzato il trascrittoma (l’insieme degli RNA messaggeri) in diversi momenti della gametogenesi (0, 6, 24, 48 e 72 ore dopo l’induzione). Questo ci ha permesso di identificare circa 697 geni “sessuati”, che rappresentano circa il 10% dei geni analizzati. Un numero simile a quello trovato in un’altra alga, Ectocarpus, che pure è un modello interessante per questi studi.

È affascinante notare che i geni mt-BGs (quelli più espressi nei “maschi”) non solo evolvono rapidamente, ma mostrano anche una minore conservazione degli ortologhi (geni equivalenti in specie diverse) rispetto ai geni mt+BGs. Questo potrebbe indicare che i geni “maschili” sono soggetti a eventi più frequenti di duplicazione o perdita genica, un altro segno della loro dinamica evolutiva accelerata.

Un altro dato interessante riguarda il “codon usage bias”, cioè la preferenza nell’uso di certi codoni (le triplette di DNA che specificano gli amminoacidi) rispetto ad altri. Contrariamente a quanto osservato in altri sistemi, negli SBGs di Ulva abbiamo trovato un bias più forte (valori ENC più bassi). Questo potrebbe riflettere l’importanza funzionale e l’efficienza traduzionale di questi geni in contesti specifici del sesso.

Flagelli Evoluti: La Chiave della Motilità e del Successo Riproduttivo

Come accennavo, la scoperta più intrigante è forse quella legata ai geni dei flagelli. Tra i geni sotto selezione positiva, ben 6 su 14 erano ortologhi di geni noti per codificare proteine associate ai flagelli in Chlamydomonas reinhardtii (un’altra alga verde, un vero cavallo di battaglia della ricerca genetica). E anche tra quelli sotto selezione purificante rilassata, 4 su 13 avevano la stessa associazione.

I flagelli non servono solo per nuotare, ma sono fondamentali anche per il riconoscimento tra gameti. Il primo contatto avviene proprio tramite i flagelli! È quindi logico che la selezione agisca intensamente su questi geni. Una migliore motilità e un riconoscimento più efficiente possono fare la differenza tra una fecondazione riuscita e un fallimento riproduttivo. Questo supporta le teorie che vedono nell’aumento della motilità dello sperma (o del gamete maschile) un fattore chiave nella transizione verso l’anisogamia.

In sintesi, il nostro studio sull’Ulva mutabilis dimostra che anche in una specie quasi isogama e capace di partenogenesi, si osserva un leggero dimorfismo nelle dimensioni dei gameti e una significativa divergenza nell’evoluzione dei geni specifici per tipo di accoppiamento. Sia i geni mt+BGs che mt-BGs evolvono più rapidamente dei geni imparziali, spinti da selezione positiva e da selezione purificante rilassata. E il fatto che molti di questi geni in rapida evoluzione siano legati alla funzione flagellare sottolinea l’importanza adattativa della motilità e dell’interazione tra gameti per il successo riproduttivo.

Questi risultati non solo ci aiutano a capire meglio le primissime fasi dell’evoluzione dell’anisogamia e del dimorfismo sessuale, ma forniscono anche prove empiriche di come sottili differenze possano generare forti pressioni evolutive. L’Ulva si conferma così un modello potentissimo per svelare i misteri dell’evoluzione sessuale. E chissà quali altre sorprese ci riserverà questa umile lattuga di mare!

Fonte: Springer
vi sia piaciuto. Alla prossima avventura scientifica!