Schnabelia: Svelati i Segreti del DNA di Piante Medicinali Cinesi Endemiche!

Ciao a tutti! Oggi voglio portarvi con me in un viaggio affascinante nel mondo della botanica e della genetica, alla scoperta di un genere di piante tanto misterioso quanto prezioso: la Schnabelia. Si tratta di piante erbacee perenni, membri della famiglia delle Lamiaceae (la stessa della menta e del basilico, per intenderci!), che hanno la particolarità di essere endemiche della Cina e di possedere un notevole valore medicinale. Pensate che sono utilizzate da secoli nella medicina tradizionale cinese!

Nonostante il loro interesse, fino a poco tempo fa la ricerca sulla Schnabelia si era concentrata principalmente sulla classificazione morfologica, sulla sistematica molecolare basata su pochi geni e sui componenti medicinali. Mancava, però, uno studio approfondito a livello filogenomico, cioè che analizzasse l’intero genoma dei plastidi (organelli cellulari fondamentali per la fotosintesi) per capire meglio la loro evoluzione e le relazioni tra le diverse specie. Ed è proprio qui che siamo entrati in gioco noi!

La Sfida: Svelare l’Identità Genetica della Schnabelia

Il genere Schnabelia comprende cinque specie: S. oligophylla, S. tetrodonta, S. nepetifolia, S. terniflora, e S. aureoglandulosa. La loro classificazione è stata un po’ travagliata: inizialmente inserite nelle Verbenaceae, sono poi state riconosciute come Lamiaceae. Addirittura, tre di queste specie erano prima classificate nel genere Caryopteris e solo successivamente, grazie anche a prime evidenze molecolari, sono state trasferite in Schnabelia. Queste piante mostrano variazioni geografiche interessanti, pur mantenendo somiglianze morfologiche che a volte rendono difficile la loro distinzione. E quando si parla di piante medicinali, l’identificazione precisa è cruciale!

Immaginate la complessità: alcune specie hanno areali di distribuzione ampi, altre, come la S. tetrodonta (considerata a rischio), sono confinate in aree ristrette. Differenze morfologiche sottili, come il numero di denti del calice o la presenza di steli alati (una caratteristica unica nelle Lamiaceae per S. oligophylla e S. tetrodonta!), aiutano, ma non bastano. Da qui la necessità di marcatori molecolari affidabili.

Il Nostro Approccio: Indagare i Genomi Plastidiali

Per far luce su queste affascinanti piante, abbiamo deciso di sequenziare e assemblare i genomi plastidiali (o plastomi) di tutte e cinque le specie di Schnabelia. I plastomi sono fantastici per questi studi: sono relativamente piccoli, conservati nella struttura ma con regioni variabili utili per distinguere specie vicine, e vengono ereditati uniparentalmente, semplificando le analisi evolutive.

Cosa abbiamo scoperto? Beh, innanzitutto le dimensioni dei plastomi variano leggermente tra le specie, da circa 155.733 a 156.944 paia di basi (bp), e tutti contengono 115 geni unici. Il contenuto di GC (guanina e citosina, due delle “lettere” del DNA) è identico per tutte, attestandosi al 37,8%. Abbiamo notato che, come in molte altre angiosperme, i plastomi hanno una struttura quadripartita tipica: una grande regione a copia singola (LSC), una piccola regione a copia singola (SSC) e due regioni ripetute invertite (IRa e IRb). È interessante notare che la regione IR ha un contenuto di GC più alto rispetto alle regioni LSC e SSC.

L’ordine e il contenuto genico si sono rivelati altamente conservati tra le cinque specie, senza riarrangiamenti o perdite geniche significative. Questo suggerisce una forte conservazione evolutiva all’interno del genere, probabilmente legata alle loro simili caratteristiche morfologiche e preferenze di habitat.

Hotspot di Divergenza e Pressione Selettiva

Analizzando più a fondo, abbiamo identificato cinque regioni spaziatrici intergeniche (cioè, tratti di DNA non codificante tra un gene e l’altro) che mostrano una variabilità particolarmente elevata. Queste regioni, come trnH-GUG-psbA e trnK-UUU-matK, sono dei veri e propri “hotspot di divergenza” e potrebbero rivelarsi preziosissimi per sviluppare marcatori molecolari specifici, una sorta di “codice a barre del DNA” per identificare con certezza queste piante medicinali, anche quando il materiale è processato.

Un altro aspetto che abbiamo indagato è la pressione selettiva sui geni. Calcolando il rapporto tra sostituzioni nucleotidiche non sinonime (Ka, che cambiano l’amminoacido) e sinonime (Ks, che non lo cambiano), abbiamo scoperto che tutti i geni codificanti proteine nei plastomi di Schnabelia sono sotto selezione purificante (Ka/Ks < 1). Questo significa che la natura tende a "purificare" le mutazioni dannose, conservando le sequenze geniche che funzionano bene. Nonostante le diverse aree di distribuzione, non c'è stata un'evoluzione adattativa significativa a livello dei geni plastidiali, suggerendo che questi geni sono essenziali nelle loro attuali forme di vita e habitat.

Abbiamo anche analizzato le sequenze ripetute (SSR o microsatelliti), brevi sequenze di DNA che si ripetono più volte. Ne abbiamo trovate 171, concentrate soprattutto nelle regioni intergeniche della LSC. Le più abbondanti sono quelle di tipo A/T. Anche queste SSR sono ottimi candidati come marcatori per studi futuri sulla genetica di popolazione e sulla diversità genetica all’interno delle specie.

Ricostruire l’Albero Genealogico e Datare gli Eventi

Armati di questi dati genomici completi, abbiamo costruito un albero filogenetico includendo anche altre specie strettamente imparentate della sottofamiglia Ajugoideae. I risultati, ottenuti con due diversi metodi statistici (Massima Verosimiglianza e Inferenza Bayesiana), sono stati solidissimi e concordi!

L’analisi ha confermato che il genere Schnabelia è monofiletico, cioè tutte le sue specie discendono da un antenato comune. All’interno del genere, si sono distinti chiaramente due cladi (gruppi):

• Un clade contenente le due specie “originali”, S. oligophylla e S. tetrodonta (quelle con gli steli alati, per intenderci).
• Un altro clade comprendente le tre specie trasferite dal genere Caryopteris (S. aureoglandulosa, S. nepetifolia, e S. terniflora).

Questi due cladi corrispondono a due sezioni morfologicamente distinte, Sect. Schnabelia e Sect. Cylindricaulis, che differiscono per caratteristiche come la superficie delle nucule (i piccoli frutti) e la presenza di peli ghiandolari. Il nostro studio ha anche mostrato che Schnabelia è strettamente imparentata con il genere Teucrium, all’interno della tribù Teucrieae.

Ma quando sono avvenuti questi eventi evolutivi? Grazie alla datazione molecolare, abbiamo stimato che l’antenato comune di Schnabelia si è separato dal suo genere fratello (Teucrium) circa 30,24 milioni di anni fa (Ma), nel primo Oligocene. La diversificazione all’interno del genere Schnabelia, con la separazione delle due sezioni, è avvenuta molto più tardi, circa 12,60 Ma, nel Miocene medio. Questo periodo coincide con importanti eventi geologici e climatici, come il sollevamento del margine sud-orientale dell’Altopiano Tibetano (circa 15-10 Ma). È plausibile che questi cambiamenti abbiano creato nuove nicchie ecologiche e aumentato l’eterogeneità degli habitat, facilitando la radiazione adattativa delle specie ancestrali di Schnabelia.

La diversificazione più recente all’interno della Sect. Schnabelia (tra S. oligophylla e S. tetrodonta) è datata a circa 0,26 Ma, nel Quaternario, un periodo caratterizzato da cicli glaciali-interglaciali e variazioni monsoniche che hanno profondamente modellato la biodiversità. Questi eventi potrebbero aver favorito l’espansione delle popolazioni durante i periodi interglaciali più caldi e prolungati.

Implicazioni e Prospettive Future

Cosa significa tutto questo, vi chiederete? Beh, il nostro studio non solo ha chiarito le caratteristiche dei genomi plastidiali delle cinque specie di Schnabelia, ma ha anche fornito strumenti concreti (gli hotspot di divergenza e gli SSR) per la loro identificazione precisa, fondamentale per l’uso medicinale e per la ricerca scientifica. Abbiamo confermato le relazioni filogenetiche all’interno del genere e con i suoi parenti stretti, e abbiamo gettato nuova luce sulla loro storia evolutiva, collegandola ai grandi cambiamenti geologici e climatici che hanno interessato la Cina.

Questi risultati sono cruciali per la conservazione di queste specie endemiche, specialmente quelle con distribuzione limitata e alto potenziale medicinale come S. tetrodonta e S. oligophylla, che sono minacciate dalla raccolta eccessiva. Comprendere la loro diversità genetica e la loro storia evolutiva ci aiuta a definire strategie di conservazione in situ più efficaci.

Certo, c’è ancora molto da scoprire! Studi futuri, basati su un campionamento su larga scala e magari integrando dati dal genoma nucleare, potranno dirci ancora di più sulla diversità genetica e sulla storia evolutiva di questo affascinante genere endemico cinese. Ma per ora, siamo entusiasti di aver aggiunto un importante tassello alla conoscenza della Schnabelia, queste piccole ma preziose protagoniste della flora cinese.

Fonte: Springer