Colture evolute scambiando moduli genetici tra cellule

Il confronto del sequenziamento di singole cellule tra le colture di cereali fornisce indizi sui tratti agricoli fondamentali per l’adattamento delle piante ai cambiamenti climatici

Secondo un nuovo studio condotto da ricercatori della New York University, il confronto delle singole cellule di mais, sorgo e miglio rivela differenze evolutive tra queste importanti colture di cereali.

I risultati, pubblicati su Nature, avvicinano i ricercatori all’individuazione di quali geni controllano importanti tratti agricoli come la tolleranza alla siccità, cosa che aiuterà gli scienziati ad affrontare un clima che cambia ad adattare le colture agli ambienti più aridi.

Mais, sorgo e miglio forniscono cibo agli esseri umani e agli animali in tutto il mondo. Il mais e il sorgo sono antichi parenti che si sono evoluti in due specie diverse circa 12 milioni di anni fa, mentre il miglio è un parente più lontano.

Nonostante la loro comune origine, le colture presentano differenze sostanziali nei tratti chiave: ad esempio, il sorgo è molto più tollerante alla siccità rispetto al mais, e le piante rilasciano sostanze appiccicose uniche dalle loro radici per modellare il modo in cui interagiscono con il suolo circostante. Queste differenze possono essere ricondotte al fatto che il mais subisce una duplicazione dell'intero genoma dopo la sua separazione dal sorgo.

"L'importanza di queste colture, la loro vicinanza evolutiva e le loro differenze funzionali rappresentano un'entusiasmante opportunità per confrontare i modelli di espressione genetica a livello cellulare", ha affermato Bruno Guillotin, associato post-dottorato presso il Dipartimento di Biologia della New York University e primo autore dello studio. "Anche se queste tre colture sono simili, il modo in cui differiscono l'una dall'altra è importante perché hanno caratteristiche che potremmo voler trasferire dall'una all'altra, come la tolleranza alla siccità."

I ricercatori hanno condotto la profilazione dell’mRNA di singole cellule delle radici di mais, sorgo e miglio, sezionando le radici per osservare le cellule individualmente e osservando esattamente dove i geni sono espressi in una particolare cellula. Hanno poi confrontato le stesse cellule specializzate nelle tre colture.

"Le radici sono la prima linea di difesa contro la siccità e il caldo. Puoi pensare alla radice come a una macchina con molte parti funzionanti, in questo caso tipi di cellule, quindi sapere come funziona la macchina per raccogliere l'acqua e gestire la siccità e il caldo è davvero importante", ha affermato Kenneth Birnbaum, professore presso il Dipartimento di Biologia e Centro di Genomica e Biologia dei Sistemi della New York University e autore senior dello studio. "Confrontare le diverse specie ci aiuta a distinguere quali geni portano a tratti agricoli chiave."

Nell'esaminare il modo in cui le cellule si sono evolute e differenziate nelle diverse specie, i ricercatori hanno identificato diverse tendenze che indicano un "armeggiamento" - o il riarrangiamento di elementi esistenti - delle cellule nel corso del tempo. In primo luogo, hanno osservato che le cellule spesso scambiano moduli di espressione genetica, o gruppi di 10 o 50 geni con funzioni coordinate, tra tipi di cellule nel corso dell'evoluzione.

"Questo scambio di moduli genetici è stato dimostrato nei sistemi animali, ma i dati che abbiamo generato rappresentano la prima volta che viene illustrato su larga scala nelle piante", ha aggiunto Birnbaum.

Questo scambio di moduli è stato dimostrato in una scoperta sulla melma delle radici, la sostanza appiccicosa piena di sostanze nutritive che le radici emettono nel terreno. La melma è utile per lubrificare il terreno in modo che le radici possano attraversarlo e attrarre batteri benefici che proteggono la pianta o forniscono nutrienti difficili da ottenere.

I ricercatori hanno scoperto che i geni che aiutano a produrre il muco delle radici erano situati in diverse parti della radice di mais, sorgo e miglio. Nel sorgo, i geni della melma sono stati trovati nel tessuto esterno della radice, mentre nel mais questi sono stati scambiati in un nuovo tipo di cellula nella calotta radicale, un cambiamento evolutivo che potrebbe consentire al mais di attrarre batteri che aiutano la pianta ad acquisire azoto. Hanno inoltre identificato altri regolatori genetici che sono stati scambiati in diversi tipi di cellule a seconda della coltura, fornendo ai ricercatori i primi candidati per testare i geni che trasmettono tratti specifici.

Inoltre, i ricercatori hanno scoperto che l’intera duplicazione del genoma del mais, dopo la sua separazione dal sorgo 12 milioni di anni fa, ha interessato specifici tipi di cellule, consentendo alle cellule del mais di specializzarsi rapidamente. Hanno anche osservato che alcuni tipi di cellule fungevano da donatori di nuovi geni mentre altri sembravano raccogliere nuovi duplicati di geni, il che potrebbe suggerire che la duplicazione dei geni abbia accelerato l'evoluzione di alcune cellule.