Fragole Sotto Stress: Il Segreto della Resistenza Nascosto nei Geni APX

Ciao a tutti gli appassionati di scienza e… di fragole! Oggi voglio portarvi con me in un’avventura affascinante nel cuore del DNA di questi frutti deliziosi, per scoprire come se la cavano quando le cose si mettono male. Avete mai pensato a cosa succede a livello molecolare quando una piantina di fragola si trova ad affrontare siccità, troppo sale nel terreno o altri stress ambientali? Beh, io sì, ed è proprio di questo che parleremo.

Un nemico invisibile: lo stress ossidativo

In condizioni normali, le piante, come noi, producono piccole quantità di molecole chiamate specie reattive dell’ossigeno (ROS). Sono un sottoprodotto naturale del metabolismo, e in piccole dosi sono persino utili come segnali per regolare varie funzioni cellulari. Il problema sorge quando la pianta è sotto stress (per esempio, per mancanza d’acqua, temperature estreme, salinità): la produzione di ROS va fuori controllo. Immaginatele come piccole schegge impazzite che danneggiano le cellule, le membrane e compromettono il normale funzionamento della pianta. Un vero incubo!

Per fortuna, le piante non stanno a guardare. Hanno sviluppato meccanismi di difesa sofisticatissimi, una sorta di “squadra di pulizia” interna. Questa squadra è composta da:

• Enzimi antiossidanti: veri e propri spazzini molecolari come SOD, CAT, POD e, il protagonista della nostra storia, l’Ascorbato Perossidasi (APX).
• Componenti non enzimatici: molecole come l’ascorbato (vitamina C), i carotenoidi, il glutatione, che aiutano a neutralizzare i ROS.

L’APX è un enzima chiave nel ciclo ascorbato-glutatione, un percorso metabolico fondamentale per eliminare un tipo specifico di ROS, il perossido di idrogeno (H2O2), trasformandolo in innocua acqua.

Fragole a confronto: la selvatica vs la coltivata

Nel nostro studio, abbiamo messo a confronto due “cugine” del genere *Fragaria*:

• Fragaria vesca: la fragolina di bosco, selvatica, diploide (ha due set di cromosomi, come noi) e nota per essere piuttosto resistente agli stress.
• Fragaria × ananassa: la fragola coltivata che troviamo comunemente al supermercato, frutto di un incrocio, octoploide (ha ben otto set di cromosomi!) e generalmente più sensibile agli stress ambientali rispetto alla sua parente selvatica.

Ci siamo chiesti: le differenze nella loro resistenza potrebbero dipendere, almeno in parte, dai loro geni APX?

A caccia di geni APX: scoperte nel genoma

Ci siamo messi all’opera, scandagliando i genomi delle due specie. E voilà: abbiamo identificato 7 geni APX in F. vesca (li abbiamo chiamati FvAPX) e ben 20 geni APX in F. × ananassa (FaAPX). Questa differenza numerica è già interessante e probabilmente legata alla diversa ploidia (numero di set cromosomici) delle due specie.

Analizzando le sequenze di questi geni e delle proteine che codificano, abbiamo scoperto un sacco di cose:

• Classificazione: Abbiamo raggruppato tutti questi geni in 5 “squadre” (sottogruppi) in base alle loro somiglianze evolutive, confrontandoli anche con i geni APX di altre piante come Arabidopsis, riso e vite. Alcuni gruppi sembrano specializzati per funzionare nel citoplasma, altri nei cloroplasti.
• Struttura e “Motivi”: Abbiamo guardato come sono fatti i geni (quanti esoni e introni hanno) e le proteine (quali “motivi”, cioè brevi sequenze di amminoacidi conservate, possiedono). Abbiamo notato che, all’interno dello stesso sottogruppo, la struttura è molto simile. Confrontando i motivi tra F. vesca e F. × ananassa, abbiamo visto che alcune piccole sequenze di amminoacidi sono state guadagnate o perse durante l’evoluzione. Potrebbero essere proprio queste differenze a influenzare la funzione specifica delle proteine APX nelle due specie? È un’ipotesi intrigante!
• Localizzazione: Abbiamo predetto dove, all’interno della cellula, queste proteine APX vanno a svolgere il loro lavoro. La maggior parte si trova nel citoplasma e nei cloroplasti, luoghi cruciali per il metabolismo e la fotosintesi, ma alcune sembrano destinate anche al reticolo endoplasmatico o all’apparato di Golgi.

Legami di parentela e linguaggio genetico

Abbiamo anche studiato la sintenia, cioè come i geni APX sono organizzati sui cromosomi e se questa organizzazione è conservata tra le due fragole e altre specie. Abbiamo scoperto che ci sono molte regioni corrispondenti (collinearità) tra le fragole e la vite, più che con riso o Arabidopsis. Questo ci dà indizi sulle relazioni evolutive tra queste piante. Tra le due fragole, come c’era da aspettarsi vista la loro parentela, ci sono moltissime corrispondenze, anche se l’organizzazione in F. × ananassa è più complessa a causa dei suoi otto set di cromosomi.

Un altro aspetto affascinante è l’uso dei codoni. Il codice genetico ha delle ridondanze: diversi codoni (triplette di basi nel DNA/RNA) possono codificare per lo stesso amminoacido. Le piante, però, spesso mostrano una preferenza per certi codoni rispetto ad altri. Abbiamo notato sottili differenze tra F. vesca e F. × ananassa: ad esempio, la fragolina selvatica sembra usare più volentieri i codoni per gli amminoacidi Valina (Val) e Leucina (Leu) in alcune delle sue proteine APX rispetto alla cugina coltivata. Anche queste preferenze possono influenzare l’efficienza con cui le proteine vengono prodotte.

Abbiamo anche calcolato il rapporto Ka/Ks, un indice che ci dice se un gene sta evolvendo sotto pressione selettiva. Per quasi tutte le coppie di geni APX omologhi tra le due fragole, questo rapporto era inferiore a 1, suggerendo una selezione purificante (cioè, la natura tende a conservare la sequenza così com’è perché funziona bene). Abbiamo anche stimato che la divergenza tra alcuni di questi geni potrebbe essere avvenuta tra 0.4 e 8 milioni di anni fa.

La risposta allo stress: chi reagisce meglio?

Ora arriva la parte più “movimentata”: abbiamo messo alla prova le nostre piantine! Le abbiamo trattate con soluzioni contenenti sale (NaCl), PEG (per simulare la siccità) e perossido di idrogeno (H2O2, per indurre stress ossidativo diretto) e abbiamo misurato l’espressione dei geni APX nel tempo.

I risultati sono stati chiari:

• Molti geni APX, sia in F. vesca che in F. × ananassa, si “accendevano” (aumentavano la loro espressione) in risposta agli stress.
• Due geni in particolare hanno attirato la nostra attenzione: FaAPX5 (nella fragola coltivata) e FvAPX7 (nella fragolina selvatica). Entrambi rispondevano in modo molto forte a tutti e tre i tipi di stress.
• Abbiamo analizzato i loro “interruttori” genetici (i promotori). Entrambi contengono sequenze note per rispondere a stress abiotici e ormonali (come ABA, MeJA, GA3). Ma, testando l’attività di questi promotori, abbiamo scoperto che quello di FvAPX7 era significativamente più forte e reattivo agli stress rispetto a quello di FaAPX5!

Super-geni all’opera: i test di sovraespressione

Per confermare che FaAPX5 e FvAPX7 fossero davvero importanti per la resistenza allo stress, abbiamo fatto un passo ulteriore: li abbiamo “sovraespressi”. Cioè, abbiamo inserito copie extra di questi geni in foglie di fragola ‘Benihoppe’ (una varietà coltivata) e in piantine di Arabidopsis thaliana (una pianta modello usata in laboratorio).

I risultati sono stati entusiasmanti:

• Nelle foglie di fragola: Le foglie che sovraesprimevano FaAPX5 o FvAPX7 mostravano una migliore salute (misurata dalla fluorescenza della clorofilla, Fv/Fm) sotto stress da sale, siccità e H2O2 rispetto alle foglie di controllo. Avevano anche una minore conduttività elettrica relativa (indice di danno alle membrane) e un minor contenuto di H2O2. Inoltre, le attività di altri enzimi antiossidanti (POD, SOD, CAT) erano più alte. È interessante notare che le foglie con FvAPX7 sembravano cavarsela leggermente meglio di quelle con FaAPX5.
• In Arabidopsis: Le piantine transgeniche che sovraesprimevano FaAPX5 o FvAPX7 tolleravano meglio trattamenti prolungati con sale, siccità e H2O2 rispetto alle piante normali (wild-type, WT). Le piante WT mostravano segni evidenti di appassimento e danno, mentre quelle transgeniche resistevano di più. Anche qui, le linee con FvAPX7 mostravano spesso una resistenza superiore, con minore danno alle membrane, minor accumulo di H2O2 e maggiore attività degli enzimi antiossidanti.

Abbiamo anche verificato dove vanno a finire le proteine FaAPX5 e FvAPX7 nella cellula usando un trucco: le abbiamo fuse con una proteina fluorescente (GFP) e le abbiamo osservate al microscopio confocale in cellule di tabacco. Come previsto da analisi precedenti, si localizzavano principalmente nel citoplasma e sulla membrana cellulare.

Conclusioni: perché la fragolina selvatica è più tosta?

Mettendo insieme tutti i pezzi del puzzle, il nostro studio suggerisce fortemente che i geni APX giocano un ruolo cruciale nella risposta allo stress delle fragole. Le differenze che abbiamo osservato tra F. vesca e F. × ananassa – nel numero di geni, nelle sequenze proteiche (motivi), nell’uso dei codoni e, soprattutto, nella forza del promotore e nell’efficacia del gene FvAPX7 rispetto a FaAPX5 – potrebbero contribuire a spiegare perché la fragolina di bosco selvatica è intrinsecamente più resistente agli stress ambientali rispetto alla sua cugina coltivata.

Il gene FvAPX7 della fragolina selvatica sembra essere un “campione” di resistenza: ha un promotore più potente che lo fa attivare di più e più in fretta quando serve, e la proteina che produce sembra essere molto efficace nel proteggere la pianta. Questa potrebbe essere una delle chiavi evolutive del successo di F. vesca in ambienti difficili.

Capire a fondo questi meccanismi non è solo scientificamente affascinante, ma apre anche porte importanti per il futuro. Potremmo usare queste conoscenze per sviluppare, tramite tecniche di miglioramento genetico, nuove varietà di fragole coltivate che siano più resistenti alla siccità, alla salinità e ad altri stress, un obiettivo sempre più cruciale in un mondo che affronta il cambiamento climatico.

Spero che questo viaggio nel mondo dei geni delle fragole vi sia piaciuto! È incredibile pensare a quanta complessità e ingegnosità si nasconda dietro la capacità di una semplice piantina di sopravvivere alle avversità.

Fonte: Springer