Genomi vegetali e ibridazioni: nuove scoperte nel genoma dell’arachide

Nei giorni scorsi è stato pubblicato sulla rivista scientifica Nature Genetics un interessante articolo relativo al sequenziamento del genoma dell’arachide Arachis hypogaea, l’arachide che viene comunemente chiamata “nocciolina americana”.  

Arachis hypogaea è  una pianta molto interessante sia da un punto di economico, che per numerosi aspetti genetici, dato che è un ibrido naturale formatosi circa 10.000 anni or sono in una regione a nord dell’Argentina (conosciuta come Rio Seco) dall’ibridazione di due antenati selvatici, Arachis duranensis e Arachis ipaensis. Questo incrocio è stato possibile grazie al trasporto ad opera dell’uomo della specie A. ipaensis dalla Bolivia in un territorio in cui era già presente A. duranensis, per cui è un ottimo esempio di ibridazione favorita dall’uomo (sebbene non espressamente pensata).

In modo abbastanza comune nelle piante, il processo di ibridazione ha comportato la formazione di una pianta tetraploide, nel senso che nel suo genoma sono presenti in duplice copia entrambi i genomi delle specie parentali, tanto che A. hypogaea non ha 20 cromosomi (10 coppie di cromosomi omologhi) come le due specie selvatiche parentali, ma ne ha 40, in un genoma che complessivamente è dato da poco meno di 3 miliardi di nucleotidi (per capirci… ha un genoma grande quasi come il nostro).

La realizzazione di questo progetto ha evidenti ricadute pratiche perché d’ora in poi potremo studiare con maggiore dettaglio i meccanismi molecolari e cellulari che stanno alla base della crescita e dello sviluppo delle piante di arachidi. Inoltre, il sequenziamento potrebbe permettere di intervenire per ottenere produzioni migliori, ad esempio, selezionando, o letteralmente creando con editing genomico, piante resistenti malattie e parassiti. Tra questi vi sono ad esempio sicuramente i  nematodi del genere Meloidogyne che sono veri e propri parassiti alla base  della perdita del 5% del raccolto globale su scala mondiale. 

Al di là degli aspetti applicativi legati alla produzione di arachidi, analizzando gli oltre 66.000 geni presenti (in un genoma dato per più del 70% da elementi genetici mobili e pararetrovirus) e la loro distribuzione cromosomica nei due genomi parentali è stata osservata la presenza di un quantità decisamente elevata (e inattesa!) di eventi di ricombinazione genetica tra i genomi delle due specie parentali. Questo è abbastanza insolito, perché di norma si verificano eventi di appaiamento e ricombinazione soltanto fra cromosomi perfettamente omologhi e quindi non tra geni di specie diverse. In un ibrido infatti ciascun cromosoma di un dato genoma (che per comodità potremmo chiamare A) ha un suo “corrispondente” nell’altro genoma (B), ma tali geni, definiti generalmente “omeologhi” (nel senso di parzialmente omologhi), non ricombinano.

Nel caso dell’arachide, invece, sono stati osservati numerosi scambi tra i genomi parentali A e B e questo ha portato all’origine di un genoma in cui ampie porzioni di cromosoma sono state spostate da un genoma parentale all’altro, oltre a numerose delezioni e duplicazioni, tanto che per alcuni tratti il genoma dell’ibrido anziché essere AABB come atteso è in realtà AAAA oppure BBBB, cioè sono stati persi i geni di una specie e duplicati quelli omeologhi dell’altra. Per altro i due genomi parentali hanno subito tassi di ricombinazione diversi, tanto che il genoma derivato da A. duranensis risulta essere decisamente più differenziato rispetto a quello dell’altra specie parentale.

Sebbene quanto descritto possa esser stato favorito dal fatto che i genomi parentali erano molto simili (le due specie parentali hanno un progenitore databile attorno a 2,2 milioni di anni or sono e quindi è abbastanza recente da un punto di vista evoluzionistico), il genoma di A. hypogaea ci permette di fare luce sui cambiamenti che possono avvenire in un genoma a seguito di eventi di ibridazione e sul fatto che i riarrangiamenti osservati influenzano le caratteristiche fenotipiche della pianta.

Un OGM viene definito, con terminologia ufficiale, come un “organismo il cui materiale genetico è stato modificato in modo diverso da quanto avviene in natura con l’accoppiamento e/o la ricombinazione genetica naturale” (Art. 2, Direttiva 2001/18/CE del 12/03/01). Molto spesso ho letto commenti relativi al fatto che inserire un nuovo gene in un genoma non permette di prevedere tutte le possibili interazioni che tale gene può instaurare con i geni già presenti. I dati genomici derivanti dal genoma dell’arachide, ci mostrano che i processi di ibridazione non sono la semplice somma di due genomi e che l’ibridazione (sebbene considerata naturale dalla Direttiva 2001/18/CE) può avere effetti molto più profondi di quanto stimato… per assurdo una pianta con aggiunto un gene per produrre la tossina Bt è decisamente “meno ricombinata” a livello genetico di una comunissima arachide.

“A genome sequence is a landmark for the research of the biology of a crop. It provides a catalog of gene content, with chromosomal context and a unified framework for biological investigations and cross-species comparisons. In the case of peanut, a polyploid of recent hybrid origin, the previous sequencing of very close representatives of its diploid ancestors provides the opportunity to investigate more generally applicable principles regarding the genetics of polyploidy and its importance to crop domestication”. (David J. Bertioli, J. et al., 2019)

Citazione:

David J. Bertioli, J. et al. The genome sequence of segmental allotetraploid peanut Arachis hypogaeaNature Genetics, 2019; DOI: 10.1038/s41588-019-0405-z

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