Il tubo pollinico attorcigliato rende infertili

Il crescione della sabbia (Arabidopsis arenosa) serve come pianta modello per sv
Il crescione della sabbia (Arabidopsis arenosa) serve come pianta modello per svelare il mistero della sterilità dei poliploidi di nuova formazione. (Immagine: Kirsten Bomblies / ETH Zurigo)
Le piante con una serie multipla di cromosomi hanno dei vantaggi rispetto ai loro parenti con una doppia serie di cromosomi. Tuttavia, il motivo per cui all’inizio sono spesso sterili era noto solo in parte. I biologi dell’ETH hanno ora scoperto una nuova ragione per le difficoltà iniziali.

Di norma, le piante hanno una doppia serie di cromosomi, come la maggior parte dei mammiferi e degli esseri umani. Una serie proviene dal padre, l’altra dalla madre. Sono cosiddette diploidi. Tuttavia, può accadere che il numero di set di cromosomi raddoppi da una generazione all’altra: un organismo diploide diventa improvvisamente un organismo tetraploide, cioè con quattro set di cromosomi.

A differenza degli esseri umani, dove i genomi multipli sono di solito fatali, la poliploidia può avere dei vantaggi per le piante colpite. Le piante con più genomi si adattano meglio all’ambiente, sono tolleranti al sale o resistenti alla siccità. Inoltre, spesso producono semi o frutti più grandi e rendono di più: caratteristiche interessanti per le colture del futuro.

Ma c’è un problema: gli individui poliploidi di nuova formazione di una specie vegetale sono di solito completamente o quasi completamente sterili e non possono essere riprodotti facilmente. Il motivo per cui queste piante sono sterili non è ancora del tutto chiaro.

Geni che controllano il tubo pollinico

Kirsten Bomblies, professore di genetica evolutiva molecolare delle piante dell’ETH, e il suo team hanno scoperto un meccanismo finora sconosciuto per la ridotta fertilità dei poliploidi. In un recente studio pubblicato sulla rivista Science call_made, i ricercatori dimostrano che il tubo pollinico non cresce correttamente nelle piante poliploidi di nuova formazione.

Normalmente, un granello di polline che si attacca allo stigma di un fiore durante l’impollinazione germina in un lungo tubo che cresce dritto e senza ramificazioni attraverso l’ovario fino agli ovuli. È qui che avviene la fecondazione.

I ricercatori hanno osservato che nelle piante poliploidi di nuova formazione il tubo pollinico non cresce né dritto né sufficientemente lungo. "Nei nostri esperimenti abbiamo osservato forme di ogni tipo", dice Bomblies, "storte, ramificate, corte, persino scoppiate - ma nessuno di questi tubi pollinici raggiunge il bersaglio". Ciò significa che i gameti maschili all’estremità del tubo pollinico non possono fondersi con le cellule uovo della pianta.

Bomblies e i suoi colleghi hanno studiato questo aspetto nel crescione della sabbia(Arabidopsis arenosa). In natura esistono due ceppi di questo fiore selvatico: uno con una doppia serie di cromosomi (come gli esseri umani) e uno con una serie quadrupla di cromosomi. I crescioni tetraploidi sono riusciti a superare lo svantaggio della duplicazione del genoma e ad affermarsi in popolazioni indipendenti.

In studi precedenti, i ricercatori hanno identificato i geni in queste popolazioni tetraploidi di crescione della sabbia che sono associati alla fertilità della pianta e per i quali si sono sviluppate nuove varianti nei tetraploidi. Nel presente studio, i ricercatori hanno rintracciato a ritroso quali tratti sono prodotti da questi geni. Normalmente, i ricercatori in genetica evolutiva adottano più spesso l’approccio di partire da un tratto (fenotipo) per trovare i geni che causano questo tratto.

La ricerca genetica inversa ha mostrato ai ricercatori che i due geni controllano la crescita del tubo pollinico. E: nelle popolazioni tetraploidi consolidate di crescione, i geni in questione sono spesso leggermente alterati rispetto alle versioni presenti negli individui diploidi. "L’evoluzione ha quindi trovato un modo per variare leggermente i due geni in modo che gli individui tetraploidi siano fertili", afferma Bomblies.

I vantaggi per la coltivazione delle piante non sono ancora chiari

Gli scienziati non hanno ancora svelato tutti i segreti dell’infertilità dei poliploidi di nuova formazione. "Attualmente stiamo studiando altri candidati geni che sono coinvolti nella crescita del tubo pollinico", spiega il ricercatore.

Non è ancora stato verificato se le nuove scoperte possano essere utilizzate per la riproduzione delle piante. Tuttavia, i due geni sono cosiddetti altamente conservati. Ciò significa che si sono conservati nel corso della storia evolutiva e si trovano in diverse specie.

Bomblies ritiene quindi possibile che i due geni del crescione possano essere trasferiti ad altre specie. Attualmente sta lavorando su questo aspetto con il suo gruppo: i ricercatori stanno testando se è possibile trasferire i due geni nel crescione (Arabidopsis thaliana), un parente stretto del crescione. "Se riusciamo a trasferire il costrutto genico in un’altra specie, potrebbe essere interessante per la riproduzione di nuove colture", afferma la ricercatrice evoluzionista.

Piante coltivate poliploidi

Molte piante coltivate sono poliploidi. Rispetto alle loro forme selvatiche, le patate, il caffè e i mirtilli hanno un numero di cromosomi quattro volte superiore, il grano da pane sei volte superiore e le fragole domestiche addirittura otto volte superiore. Tuttavia, queste poliploidie si sono sviluppate naturalmente. Migliaia di anni fa, i primi agricoltori, privi di conoscenze genetiche, selezionarono le piante che avevano grani o frutti più grandi, ad esempio, o che erano particolarmente resistenti alla siccità, come spesso accade alle piante poliploidi. Così facendo, gli agricoltori hanno involontariamente promosso la poliploidia.

Riferimenti bibliografici

Westermann J, Srikant T, Gonzalo A, San Tan H, Bomblies K. La crescita difettosa della punta del tubo pollinico induce infertilità neopoliploide. Science 383, eadh0755 (2024). DOI: pagina esterna 10.1126/science.adh0755 call_made
Peter Rüegg