Perché i legami tra alcune piante e i microbi del suolo sono «scomparsi»
I mutualismi sono relazioni ecologiche reciprocamente vantaggiose tra specie diverse, gli uccelli in cerca di miele e gli esseri umani. Tra le piante terrestri e i microrganismi del suolo esiste un antico rapporto di mutualismo, risalente forse a 450 milioni di anni fa, che aiuta le piante a estrarre dal suolo sostanze nutritive che altrimenti potrebbero essere per loro inaccessibili. Tuttavia, alcuni gruppi di piante sembrano aver perso questo antico legame. Le ragioni sono ancora oggetto di dibattito, ma esistono diverse ipotesi. «Ad esempio, l’evoluzione di altre strategie di approvvigionamento di risorse, come il carnivorismo e il parassitismo, è strettamente correlata alla scomparsa del mutualismo», spiega Matheus Bianconi(si apre in una nuova finestra), biologo evoluzionista dell’Università di Tolosa(si apre in una nuova finestra). «Ciò si spiega con il ruolo nutrizionale che il simbionte svolge per la pianta», afferma. «Una volta che questo ruolo diventa superfluo, la capacità di instaurare rapporti di mutualismo può andare persa senza alcun costo per le piante.» Nell’ambito del progetto SYMBIOLOSS, finanziato dal programma di azioni Marie Skłodowska-Curie(si apre in una nuova finestra), Bianconi e i suoi colleghi hanno studiato la ripetuta scomparsa dei rapporti di mutualismo nelle piante terrestri. Il team ha cercato di individuare modelli genetici in grado di spiegare se l’abbandono del mutualismo abbia portato a cambiamenti adattativi che compensano tale perdita.
Ripercorrere la storia dei mutualismi tra piante e microbi
Il progetto ha adottato un approccio filogenomico(si apre in una nuova finestra) per identificare i geni e le mutazioni che determinano i tratti di interesse, analizzando i genomi di centinaia di specie vegetali che presentano o meno rapporti di mutualismo. Sono stati quindi utilizzati strumenti statistici e filogenetici per identificare i cambiamenti genetici correlati alla sua presenza nelle diverse specie. Una volta identificati i geni candidati, i ricercatori li hanno confrontati con altri set di dati e hanno selezionato quelli più promettenti da sottoporre a validazione in laboratorio. Questo lavoro ha comportato, ad esempio, l’inattivazione o la sovraregolazione di geni. «Il nostro team ha utilizzato con successo questo approccio per mappare le basi genetiche della simbiosi nelle piante», osserva Bianconi. «In questo progetto abbiamo adottato lo stesso approccio, ma al contrario: abbiamo esaminato ciò che accomuna le specie non mutualistiche.» I ricercatori si aspettavano che questo approccio rivelasse geni o reti comuni legati ai cambiamenti adattativi che si sono evoluti in modo indipendente nelle specie non mutualiste, oltre a identificare i geni che erano stati «riutilizzati» dopo la perdita del mutualismo e avevano acquisito una nuova funzione.
Alla scoperta delle mutazioni genetiche
I risultati suggeriscono che le mutazioni genetiche alla base del passaggio a uno stile di vita non mutualistico siano in realtà specifiche di ciascun lignaggio e che il meccanismo simbiotico da loro abbandonato possa aver fornito la materia prima per l’evoluzione di nuovi adattamenti. Il team ha poi approfondito questa ipotesi utilizzando le epatiche. «Siamo riusciti a identificare un recettore di membrana che sembra svolgere un ruolo importante nella simbiosi e che è stato ripetutamente duplicato nelle epatiche non mutualiste», aggiunge Bianconi. «Allo stesso modo, abbiamo individuato un gene che potrebbe svolgere un ruolo nel metabolismo dei nutrienti e che è andato perso nelle specie di piante terrestri non mutualistiche, ad eccezione dei muschi e di alcune epatiche.» Entrambi i casi sono attualmente in fase di validazione sperimentale in laboratorio. «Se confermate, queste scoperte fornirebbero esempi di geni legati alla simbiosi che sono stati riutilizzati dopo la scomparsa del mutualismo», osserva Bianconi.
Analisi più approfondite sulla scomparsa dei mutualismi
Questo progetto ha sollevato diverse questioni, e i ricercatori prevedono di approfondirle in futuro, in particolare quando saranno disponibili ulteriori risorse genomiche relative alle specie non mutualistiche. «Oggi, alcuni gruppi di piante sono ben rappresentati, ma molti ne comprendono solo una o poche specie, il che limita l’efficacia delle analisi filogenomiche», afferma Bianconi. «Prevediamo di integrare questi dati con altri tipi di dati omici generati in condizioni controllate, al fine di ottenere nuove informazioni.»
