Muschi Polari Sotto la Lente: Svelati i Genomi degli Eroi del Ghiaccio!

Ciao a tutti! Oggi voglio portarvi in un viaggio incredibile ai confini del mondo, tra i ghiacci dell’Artico e dell’Antartico. Qui, dove la vita sembra sfidare l’impossibile, prosperano degli organismi sorprendenti: i muschi. Non semplici piantine, ma veri e propri protagonisti degli ecosistemi polari!

Muschi Polari: Eroi Sconosciuti degli Ambienti Estremi

Pensate un po’: i briofiti (la grande famiglia che include muschi, epatiche e antocerote) sono fondamentali in queste terre gelide. Sono tra le poche forme di vegetazione capaci di resistere a temperature glaciali, scarsità di nutrienti, poca luce e persino alla disidratazione estrema. In Antartide, sono praticamente i re della flora terrestre! La loro capacità di sopravvivere in condizioni così proibitive suggerisce che abbiano sviluppato nel corso dell’evoluzione un “kit di strumenti” genetici davvero speciale per la tolleranza allo stress.

Oggi ci concentriamo su due specie emblematiche:

• Aulacomnium turgidum: Un muschio artico, diffuso in luoghi come le Svalbard, la Groenlandia e l’Alaska. È famoso per una resistenza al gelo quasi leggendaria: pensate che è stato capace di rigenerarsi dopo essere rimasto sepolto nel ghiaccio per 400 anni! L’esemplare che abbiamo studiato proviene dalle Svalbard, un arcipelago norvegese dove le temperature medie invernali scendono ben sotto i -10°C.
• Polytrichastrum alpinum: Questo muschio è invece un abitante comune dell’Antartide. Lo troviamo vicino alle morene glaciali o in zone più aride. Il nostro campione arriva dall’Isola di Re Giorgio, sulla punta della Penisola Antartica, un paesaggio quasi desertico con una temperatura media annua sotto lo zero e venti forti.

Questi muschi non sono solo affascinanti per la loro resilienza, ma sono anche preziosi indicatori per studiare gli impatti del riscaldamento globale, le interazioni tra piante e microbi polari e le strategie molecolari uniche di sopravvivenza in condizioni estreme.

La Sfida: Decifrare il DNA dei Sopravvissuti Polari

Nonostante la loro importanza ecologica, fino ad ora sapevamo relativamente poco sulla genetica profonda di questi muschi polari. Conoscere il loro genoma completo è come avere la mappa del tesoro per capire i segreti della loro adattabilità. Senza questa mappa, è difficile comprendere appieno i meccanismi molecolari che permettono loro di prosperare dove quasi nessun altro può.

Ed è qui che entra in gioco la nostra ricerca! Abbiamo deciso di affrontare questa sfida assemblando i genomi completi, a livello cromosomico, di Aulacomnium turgidum e Polytrichastrum alpinum. Come ci siamo riusciti? Combinando le tecnologie di sequenziamento più avanzate:

• Letture brevi Illumina: precise ma corte, come tessere di un puzzle.
• Letture lunghe Nanopore: meno precise ma molto lunghe, aiutano a collegare le tessere lontane.
• Dati Hi-C: una tecnica speciale che ci dice quali pezzi del genoma sono fisicamente vicini tra loro all’interno del nucleo cellulare, aiutandoci a ricostruire l’intera struttura dei cromosomi.

È stato un lavoro complesso, come mettere insieme un puzzle gigantesco con milioni di pezzi, ma i risultati sono stati spettacolari!

Cosa Abbiamo Scoperto: I Genomi Svelati

Abbiamo ottenuto genomi di altissima qualità, quasi completi:

• Per l’Aulacomnium turgidum (Artico), abbiamo assemblato un genoma di circa 278 milioni di paia di basi (Mb), organizzato in 11 cromosomi. La qualità è tale che i “pezzi” continui (contig N50) sono lunghi quasi 12 Mb!
• Per il Polytrichastrum alpinum (Antartico), il genoma è risultato più grande, circa 498 Mb, suddiviso in 8 cromosomi, con un contig N50 di oltre 4 Mb.

Una scoperta interessante è che entrambe le specie possiedono un cromosoma sessuale ben distinto, con caratteristiche genomiche particolari: ha una densità genica inferiore e una maggiore quantità di sequenze ripetute rispetto agli altri cromosomi (autosomi). Questo ci dà indizi importanti sulla determinazione del sesso in questi organismi.

Un Tesoro di Geni e Sequenze Ripetute

Ma cosa c’è dentro questi genomi? Abbiamo identificato un numero impressionante di geni codificanti per proteine:

• A. turgidum: 25.999 geni
• P. alpinum: 28.070 geni

La completezza di questi set di geni è stata confermata da analisi specifiche (BUSCO), raggiungendo punteggi altissimi (98.2% e 98.0%), a testimonianza della qualità del nostro lavoro.

Abbiamo anche analizzato le sequenze ripetute, che costituiscono una porzione significativa del genoma (circa il 43% in A. turgidum e il 53% in P. alpinum). Tra queste, i retrotrasposoni LTR (Long Terminal Repeat) sono particolarmente abbondanti. Queste sequenze “mobili” giocano spesso un ruolo importante nell’evoluzione e nell’adattamento dei genomi.

Per dare un senso a tutti questi geni, li abbiamo “annotati”, cioè abbiamo cercato di capire la loro funzione confrontandoli con database di geni conosciuti di altre piante e organismi. Abbiamo identificato fattori di trascrizione (geni che regolano l’attività di altri geni), RNA non codificanti (come tRNA, rRNA, miRNA) e abbiamo studiato la sintenia, cioè come blocchi di geni si sono conservati o riarrangiati sui cromosomi nel corso dell’evoluzione.

Il Posto dei Muschi Polari nell’Albero della Vita

Infine, abbiamo utilizzato i dati genomici per costruire un albero filogenetico, una sorta di albero genealogico molecolare, che include i nostri due muschi polari e altre 12 specie di briofiti. Questo ci ha permesso di confermare la loro posizione evolutiva all’interno di questo affascinante gruppo di piante, che rappresenta il “ramo fratello” delle piante vascolari (come felci, conifere e piante da fiore).

Perché Tutto Questo è Importante?

Avere a disposizione questi genomi di alta qualità a livello cromosomico è un passo avanti enorme. Sono risorse preziose che aprono nuove strade per la ricerca futura. Ora possiamo iniziare a scavare più a fondo per:

• Capire le basi genetiche dell’incredibile tolleranza allo stress (freddo, siccità) di questi muschi.
• Studiare come si sono evoluti e adattati per colonizzare ambienti così estremi.
• Utilizzare questi organismi modello per monitorare e comprendere meglio gli effetti dei cambiamenti climatici sugli ecosistemi polari.

Insomma, decifrare il genoma di Aulacomnium turgidum e Polytrichastrum alpinum non è solo un traguardo tecnico, ma è come aver aperto una finestra su un mondo di strategie di sopravvivenza estreme, scritte nel linguaggio universale del DNA. E il bello è che la ricerca è appena iniziata!

Fonte: Springer