Trasformare la duplicazione del genoma in uno strumento per la selezione delle piante
Le piante possiedono una straordinaria capacità di duplicare il loro intero genoma, un processo noto come poliploidizzazione. Questo fenomeno ha svolto un ruolo centrale nell’evoluzione delle piante: tutte le piante da seme hanno subito almeno un ciclo di duplicazione dell’intero genoma. Le piante poliploidi spesso presentano caratteristiche migliorate rispetto ai loro antenati diploidi, tra cui una maggiore resistenza allo stress e strategie riproduttive flessibili. Questi vantaggi hanno attirato da tempo l’attenzione dei coltivatori, tuttavia i meccanismi genetici ed epigenetici alla base rimangono poco chiari.
Trasformare una forza evolutiva in strategia riproduttiva
Il progetto POLYPLOID(si apre in una nuova finestra), finanziato dall’UE, si proponeva di studiare la poliploidizzazione in un’ampia gamma di colture e specie modello. L’obiettivo era quello di tradurre le conoscenze evolutive in strumenti pratici per la selezione. In questo contesto, il team ha unito competenze interdisciplinari nel campo della genomica, dell’epigenomica, della trascrittomica e della fenotipizzazione di diverse piante. «Abbiamo adottato un approccio multispecie che ha consentito confronti diretti che sarebbero stati impossibili in un unico laboratorio», afferma il coordinatore del progetto Emidio Albertini.
In che modo la duplicazione del genoma modifica le piante
POLYPLOID ha studiato l’impatto della duplicazione del genoma sulla genetica e sul fenotipo delle piante. In varie specie modello, il team ha osservato cambiamenti strutturali del genoma, perdita o conservazione non casuale di geni(si apre in una nuova finestra) e modificazioni epigenetiche mirate subito dopo la poliploidizzazione. Le analisi del trascrittoma e della metilazione(si apre in una nuova finestra) hanno evidenziato cambiamenti coordinati nell’espressione genica che influenzano la tolleranza allo stress, la regolazione del ciclo cellulare, lo sviluppo riproduttivo e l’architettura della parete cellulare. In diverse specie, il numero di geni espressi in modo differenziale è aumentato con il livello di ploidia, evidenziando la duplicazione del genoma come un potente motore dell’innovazione regolatoria. «Abbiamo identificato una serie di geni “sensibili alla ploidia” la cui espressione cambia costantemente con il duplicarsi del genoma» sottolinea Albertini. «Questi geni costituiscono una firma molecolare della poliploidia.» Il team ha anche studiato in che modo la duplicazione del genoma contribuisce all’apomissia(si apre in una nuova finestra), una forma di riproduzione asessuata attraverso i semi che consente alle piante di produrre prole senza fecondazione. Questa strategia riproduttiva è spesso associata a genomi poliploidi ed è di grande interesse per i selezionatori perché consente l’introduzione di tratti genetici attraverso le generazioni. Identificando i percorsi candidati e i marcatori molecolari collegati all’apomissia, il progetto ha gettato le basi per approcci di selezione che combinano la poliploidia con la produzione di semi clonali.
Superare il blocco triploide
Uno dei principali ostacoli allo sfruttamento della poliploidia nella selezione è il blocco triploide(si apre in una nuova finestra), un meccanismo post-zigotico che impedisce la formazione di semi vitali dopo l’incrocio tra piante con livelli di ploidia diversi. POLYPLOID ha affrontato questa sfida analizzando gli incroci tra individui diploidi e tetraploidi. I ricercatori si sono concentrati sullo sviluppo anomalo dell’endosperma, una causa comune di aborto dei semi. Sebbene il progetto non abbia ancora superato completamente il blocco triploide, ha identificato i percorsi chiave coinvolti, tra cui il metabolismo degli zuccheri e dei lipidi e il silenziamento epigenetico dei geni. I geni candidati emersi dagli studi sull’Arabidopsis(si apre in una nuova finestra) sono ora oggetto di studio come potenziali leve per stabilizzare lo sviluppo dei semi.
Verso un’agricoltura sostenibile e resiliente
Il risultato più significativo ottenuto da POLYPLOID è la creazione di un set di dati multistrato senza precedenti che collega la struttura del genoma, la regolazione genica, la riproduzione e le prestazioni sul campo. Queste informazioni apriranno la strada alla selezione basata sulla poliploidia, offrendo colture con una maggiore resilienza agli stress, una migliore qualità e minori requisiti di risorse. «La selezione basata sulla poliploidia potrebbe influenzare i futuri sistemi alimentari europei grazie alla produzione di colture con caratteristiche qualitative personalizzate», conclude Albertini. Mentre i cambiamenti climatici intensificano le pressioni sull’agricoltura europea, POLYPLOID fornisce un modello per l’utilizzo della duplicazione del genoma come strategia di selezione deliberata piuttosto che come evento casuale.
