Gillenia Svela i Segreti dell’Amore (Proibito) nelle Mele: Un Viaggio nell’Evoluzione Genetica

Ciao a tutti, appassionati di scienza e misteri della natura! Oggi vi porto con me in un viaggio affascinante nel cuore della genetica delle piante, un’avventura che ci svela come i fiori “scelgono” il proprio partner e come questo meccanismo si sia evoluto in una delle nostre piante da frutto preferite: il melo. Parleremo di un’eroina inaspettata in questa storia, una pianta chiamata Gillenia trifoliata, e di come il suo studio stia gettando nuova luce sull’evoluzione di un sistema cruciale chiamato autoincompatibilità (SI). Mettetevi comodi, perché stiamo per decifrare un codice genetico che ha plasmato la diversità nel mondo vegetale!

Cos’è l’Autoincompatibilità (SI) e Perché è Importante?

Immaginate le piante come esseri sociali che, proprio come noi, cercano di evitare relazioni “troppo strette” che potrebbero portare a problemi genetici nella prole. L’autoincompatibilità è proprio questo: un meccanismo genetico sofisticato che impedisce l’autofecondazione (quando una pianta si feconda con il proprio polline) e spesso anche la fecondazione tra individui geneticamente troppo simili. È un sistema fondamentale per promuovere l’outcrossing, cioè l’incrocio tra individui diversi, garantendo così una maggiore diversità genetica e, di conseguenza, una migliore capacità di adattamento della specie all’ambiente.

Esistono diversi tipi di SI, ma uno dei più diffusi, specialmente nelle piante dicotiledoni (come le rose, le mele, le patate…), è basato su un gene chiamato S-RNase. Questo sistema, detto Gametofitico (GSI), funziona più o meno così: il pistillo (la parte femminile del fiore) produce una proteina, la S-RNase, che agisce come una sorta di “guardiano”. Il polline (la parte maschile) porta con sé dei “passaporti” genetici, determinati da geni chiamati S-F-box (o nomi simili come SFB o SFBB). Questi geni si trovano tutti insieme in una regione specifica del DNA chiamata S-locus, una zona ad altissima variabilità genetica.

Ora, la magia (o meglio, la biochimica!) sta nel riconoscimento:

• Nei sistemi a “riconoscimento del sé” (self-recognition), come quello trovato nel genere Prunus (pesche, ciliegie, mandorle), la S-RNase è normalmente inattiva. Diventa tossica solo se riconosce il “passaporto” (la proteina S-F-box) proveniente dallo *stesso* S-locus. Se il polline è diverso, la S-RNase resta tranquilla e la fecondazione avviene.
• Nei sistemi a “riconoscimento del non-sé” (nonself-recognition), come nel melo (Malus), nella Pera (Pyrus) e in altre piante come la Petunia, la S-RNase è *sempre attiva* e tossica. Viene disattivata (detossificata) solo se il polline possiede un set di “passaporti” (diverse proteine S-F-box, chiamate SFBB nelle Rosaceae) che riconoscono collettivamente la S-RNase come “non-sé”.

Questa differenza non è solo un dettaglio tecnico, ma ha enormi conseguenze evolutive su come si mantengono e si evolvono le diverse varianti (alleli) dell’S-locus all’interno di una popolazione.

Il Mistero della Mela e dei suoi Parenti: Un Puzzle Evolutivo

La famiglia delle Rosaceae, a cui appartengono tantissime piante che conosciamo bene (rose, fragole, pesche, mele…), è particolarmente interessante perché ospita entrambi i sistemi SI basati su S-RNase. Come accennato, Prunus usa il riconoscimento del sé, mentre Malus (melo) e Pyrus (pero) usano il riconoscimento del non-sé. Finora, l’ipotesi prevalente era che il sistema del “non-sé” fosse quello ancestrale nelle Rosaceae (e forse in tutte le dicotiledoni), e che il sistema “del sé” di Prunus si fosse evoluto successivamente e indipendentemente.

Ma c’è di più: l’S-locus del melo non si trova nella stessa posizione genomica di quello di Prunus! Sembra essere un caso di evoluzione convergente, dove un sistema simile è nato in un posto diverso del genoma. Qui entra in gioco la nostra protagonista: Gillenia trifoliata.

Gillenia è una pianta erbacea perenne che occupa una posizione filogenetica chiave: è il parente più prossimo (il “sister taxon”) dell’intera tribù delle Maleae (che include melo, pero, sorbo…). Inoltre, l’antenato comune tra Gillenia e Prunus è molto vicino all’origine dell’intera sottofamiglia Amygdaloideae. Cosa rende Gillenia ancora più speciale? A differenza del melo e dei suoi parenti stretti, che hanno subito un evento di poliploidizzazione ancestrale (un raddoppio dell’intero genoma), Gillenia è rimasta diploide, con un numero di cromosomi base (9) che è probabilmente simile a quello dell’antenato. Questo la rende una sorta di “fossile vivente” genetico, ideale per capire cosa è successo prima della duplicazione del genoma nelle Maleae.

Alla Scoperta dei Geni di Gillenia: Cosa Abbiamo Trovato?

Armati di tecnologie di sequenziamento del DNA all’avanguardia (PacBio HiFi, che legge pezzi lunghissimi di DNA con alta precisione), abbiamo assemblato un genoma di altissima qualità per Gillenia. La prima cosa che abbiamo confermato, con esperimenti di impollinazione manuale e osservando la crescita (o non crescita!) dei tubetti pollinici al microscopio a fluorescenza, è che Gillenia è effettivamente autoincompatibile: il suo polline non riesce a fecondare i suoi stessi fiori. Abbiamo anche osservato che alcuni incroci tra individui diversi funzionavano, mentre altri no, suggerendo la presenza di alleli S diversi.

Poi, la sorpresa: analizzando il genoma, abbiamo trovato *due* regioni che assomigliano a S-loci!

• Una regione sul cromosoma 5 di Gillenia è risultata ortologa (cioè, evolutivamente corrispondente) all’S-locus di Prunus. L’abbiamo chiamata ‘PruS-locus’.
• Un’altra regione sul cromosoma 3 è ortologa all’S-locus del melo. L’abbiamo chiamata ‘MalS-locus’.

A questo punto, la domanda era: quale dei due è responsabile dell’autoincompatibilità in Gillenia? O forse entrambi? Abbiamo iniziato a indagare più a fondo, cercando i geni chiave (S-RNase e S-F-box) e analizzando le loro caratteristiche.

Il ‘PruS-locus’ sul cromosoma 5 si è rivelato il candidato più promettente. Ecco perché:

• Architettura Conservata: Contiene un singolo gene S-RNase e un singolo gene S-F-box di tipo SFB (tipico di Prunus), fiancheggiati da altri geni F-box correlati (SLFL), proprio come ci si aspetta da un S-locus funzionale a riconoscimento del sé.
• Espressione Specifica: Il gene S-RNase di questo locus è espresso a livelli altissimi nel pistillo (la parte femminile) e quasi per nulla nel polline o negli stami (parti maschili), come dev’essere. Il gene SFB, invece, è espresso fortemente nel polline e negli stami, ma non nel pistillo. Perfetto!
• Altissima Polimorfismo: Confrontando gli alleli (le varianti) di questi geni tra diversi individui di Gillenia, abbiamo trovato una grandissima diversità, sia a livello di DNA che di proteine. Questa è una caratteristica distintiva degli S-loci funzionali, mantenuta dalla selezione naturale che favorisce le varianti rare.
• Segni di Selezione Positiva: Analisi statistiche specifiche (come il calcolo del rapporto dN/dS) hanno mostrato che il gene S-RNase del ‘PruS-locus’ è sotto una pressione selettiva simile a quella delle S-RNasi funzionali di Prunus, una selezione che favorisce cambiamenti nella sequenza proteica per creare nuove specificità di riconoscimento.
• Correlazione (parziale) con gli Incroci: Gli alleli S-RNase identificati in questo locus spiegavano alcuni dei risultati di compatibilità/incompatibilità osservati negli incroci tra le piante.

E il ‘MalS-locus’ sul cromosoma 3? Beh, la situazione qui è molto più confusa e meno convincente:

• Architettura Anomala: Ci sono *più* geni simili a S-RNase (alcuni forse non funzionanti) e solo pochi geni F-box di tipo SFBB (tipici del melo), per di più quasi identici tra loro. Un sistema a riconoscimento del non-sé funzionante richiede tipicamente *molti* geni SFBB diversi.
• Basso Polimorfismo: Le varianti alleliche dei geni S in questo locus sono risultate molto simili tra loro, con pochissima diversità.
• Selezione Debole/Neutra: I segni di selezione positiva sulla S-RNase di questo locus erano molto più deboli rispetto al ‘PruS-locus’ e alle S-RNasi funzionali del melo. Anzi, sembrava più sotto selezione neutra.
• Nessuna Correlazione con gli Incroci: Gli alleli identificati qui non spiegavano i pattern di incompatibilità osservati.

La conclusione più logica, basata su tutte queste prove, è che in Gillenia è il ‘PruS-locus’, simile a quello di pesche e ciliegie, a controllare l’autoincompatibilità attraverso un meccanismo di riconoscimento del sé. Il ‘MalS-locus’ sembra essere una sorta di “relitto” evolutivo o avere una funzione diversa, ancora da chiarire.

Un Tuffo nell’Evoluzione: Cosa Ci Dice Gillenia sul Melo?

Questa scoperta è una piccola rivoluzione! Se Gillenia, il parente più prossimo della tribù del melo, usa un sistema SI simile a Prunus, allora è molto probabile che anche l’antenato comune della “supertribù Malodae” (Gillenia + Maleae) utilizzasse un sistema a riconoscimento del sé.

Questo implica che:

1. Il sistema a riconoscimento del non-sé del melo (e pero, sorbo…) non è ancestrale, ma si è evoluto indipendentemente più tardi, nella linea evolutiva che ha portato alle Maleae.
2. L’antenato delle Maleae probabilmente ha perso il sistema ‘PruS-locus’ (infatti, non ne troviamo traccia nei cromosomi corrispondenti del melo).
3. Il nuovo sistema SI del melo si è probabilmente evoluto “de novo” a partire da una versione rudimentale del ‘MalS-locus’, forse simile a quella che vediamo oggi in Gillenia, che conteneva già almeno un gene SFBB.

Come può avvenire una tale trasformazione evolutiva? L’ipotesi è che meccanismi come la conversione genica (un processo in cui una sequenza di DNA “copia” se stessa su un’altra) e l’attività degli elementi trasponibili (sequenze di DNA “saltellanti”) possano aver giocato un ruolo chiave. Abbiamo osservato che il ‘MalS-locus’ in Gillenia è ricco di sequenze ripetute e trasposoni, alcuni dei quali mostrano corrispondenze con elementi simili vicini ai geni SFBB nel genoma del melo. Queste sequenze ripetute potrebbero facilitare ricombinazioni “illegittime” e la duplicazione/diversificazione dei geni SFBB, elementi essenziali per costruire un sistema a riconoscimento del non-sé. L’evento di poliploidizzazione ancestrale nel melo potrebbe aver ulteriormente “rimescolato le carte”, favorendo questi processi.

Cosa Significa Tutto Questo? Verso Nuove Frontiere

Lo studio di Gillenia sta cambiando la nostra visione dell’evoluzione dell’autoincompatibilità nelle Rosaceae. Suggerisce che il passaggio da un sistema all’altro potrebbe essere più “facile” e frequente di quanto pensassimo, e mette in discussione l’idea che il riconoscimento del non-sé sia necessariamente lo stato ancestrale. Potrebbe addirittura essere che l’antenato dell’intera famiglia Rosaceae avesse un sistema basato su SFB (riconoscimento del sé), e che i sistemi a riconoscimento del non-sé (come nel melo e nella rosa) siano emersi più volte indipendentemente.

Certo, ci sono ancora domande aperte. Ad esempio, un particolare incrocio in Gillenia è risultato incompatibile quando, sulla base degli alleli del ‘PruS-locus’, ci saremmo aspettati fosse compatibile. Questo potrebbe indicare che altri fattori, forse legati al ‘MalS-locus’ o ad altri geni, possano modulare il sistema? La funzione esatta del ‘MalS-locus’ in Gillenia resta un mistero intrigante. Serviranno ulteriori studi, magari analizzando più individui o seguendo la segregazione dei geni in incroci controllati, per dipanare completamente questa matassa genetica.

Quello che è certo è che Gillenia si è rivelata una pianta chiave, una finestra preziosa sul passato evolutivo del melo e dei suoi parenti. Studiando il suo genoma, stiamo non solo capendo meglio come le piante gestiscono la loro “vita amorosa” per garantire il successo riproduttivo, ma stiamo anche ricostruendo la storia complessa e affascinante dell’evoluzione dei genomi vegetali. E chissà quali altri segreti queste meravigliose creature verdi custodiscono ancora!

Fonte: Springer