Il sacro loto d’acqua asiatico, Nelumbo nucifera — il piedistallo scelto da una varietà di divinità egizie e indiane. È facile capire perché. Pubblico dominio. Clicca sull’immagine per il link.
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Per gli animali, ereditare più delle solite due copie di DNA è di solito una cosa molto brutta. Può succedere quando due spermatozoi fertilizzano un uovo, o quando la divisione cellulare sessuale sbaglia, lasciando uno spermatozoo o un uovo con il doppio del carico approvato. Ma per gli embrioni animali, il risultato è di solito lo stesso: la morte.
Questo è particolarmente vero nei mammiferi e negli uccelli, dove più di due copie – una condizione chiamata poliploidia – produce qualcosa di eufemisticamente definito “disturbo generale dello sviluppo”. In pratica, questo significa il collasso del sistema, e accade molto rapidamente. Negli esseri umani, tre o più copie dell’intero genoma si verificano in circa il 5% degli aborti umani.
Solo due casi di poliploidia riuscita sono noti tra gli uccelli, e solo uno tra i mammiferi: il ratto viscacha rosso sudamericano (che è molto più carino di quanto sembri). Ha quattro copie del suo genoma, il che lo rende tetraploide.
La poliploidia è leggermente più comune tra gli altri animali. Alcune centinaia di casi di poliploidia sono noti in insetti, rettili, anfibi, crostacei, pesci e altri animali “inferiori”. La poliploidia può spesso essere indotta in queste creature; qualcosa chiamato “trota triploide” sta facendo le onde tra i pescatori del nord-ovest del Pacifico. Le tre serie di cromosomi del pesce non possono accoppiarsi correttamente durante la divisione cellulare sessuale, rendendoli sterili ma permettendo loro di crescere più grandi dei loro parenti diploidi, dato che non sprecano energia in frivolezze come uova, sperma e agganci. Sapete come si sentono i pescatori riguardo ai pesci grossi, quindi i “triploidi” hanno già ispirato i necessari video epici sulla pesca.
Anche se la poliploidia non è comune negli animali, si sospetta che possa aver giocato un ruolo nell’evoluzione, eoni fa, dei vertebrati, dei pesci con le pinne raggiate e della famiglia dei salmoni (di cui fanno parte le trote). Ma nel complesso, la poliploidia è un affare rischioso e spesso pericoloso per gli animali.
Non così per le piante, che sembrano avere un atteggiamento più laissez-faire verso l’intera faccenda.
Nel mio post all’inizio di questa settimana su un muschio mutante diploide, ho menzionato che era capace di fare uova e sperma funzionali con due copie del genoma invece di una sola. In altre parole, la prole di questo mutante sarebbe tetraploide. Il fatto che queste piante sembrano essere in grado di produrre prole poliploide vitale suggerisce che la poliploidia può essere uno strumento di evoluzione nei muschi, come lo è per molte altre piante, hanno suggerito gli autori del documento di cui ho scritto.
Perché nelle piante, a differenza degli animali, la poliploidia è comune, apparentemente innocua, e spesso agita dalla selezione naturale come strumento di speciazione. Forse le piante tollerano la duplicazione del genoma meglio degli animali perché hanno piani corporei intrinsecamente più flessibili degli animali, e possono più facilmente far fronte a qualsiasi grossolano cambiamento anatomico che potrebbe accompagnarla.
Qualunque sia la ragione, la poliploidia delle piante è dilagante. Gli scienziati hanno stimato che da metà a due terzi delle piante da fiore sono poliploidi, compreso più del 99% delle felci e l’80% delle specie della famiglia delle graminacee – la fonte di riso, grano, orzo, avena e mais. Così come un’enorme proporzione delle nostre altre colture, tra cui canna da zucchero, patate, patate dolci, banane, fragole e mele. Potremmo aver selezionato artificialmente per questo. Nelle piante, la duplicazione del genoma sembra spesso aiutare a fare più roba, il che è un bene se stai cercando di mangiare la roba.
Anche se la duplicazione del genoma può avvenire da sola nelle piante attraverso gli stessi meccanismi che ho menzionato sopra per gli animali, questo non è il modo più comune. Segue più frequentemente l’incrocio accidentale di due specie strettamente correlate. Questo di solito produce prole sterile, poiché i cromosomi non corrispondenti non hanno nulla con cui accoppiarsi durante la divisione cellulare sessuale. Ma se, per caso, questa chimera duplica il suo genoma, la fertilità viene ripristinata accoppiando il lotto assortito. Simultaneamente, un organismo tetraploide e una nuova specie sono stati creati.
Per esempio, due delle principali varietà di grano coltivate oggi sono il risultato del raddoppio e della quadruplicazione ibrida sequenziale dei genomi dei suoi antenati di erba selvatica. La specie ancestrale originale aveva 14 cromosomi. Oggi, gli agricoltori piantano sia il grano duro tetraploide a 28 cromosomi che il grano del pane esaploide a 42 cromosomi. Il grano duro fa una pasta più saporita, mentre la farina esaploide glutinosa forma reti proteiche che si estendono in un pane più leggero e consistente.
Altre due piante poliploidi hanno fatto scalpore la scorsa settimana: la vescica carnivora e il loto sacro. La vescica è stata sotto i riflettori grazie alla scoperta che è quasi priva di DNA “spazzatura” non codificante per le proteine, un materiale di cui quasi ogni altro organismo complesso è inondato, compreso te.
Ma la piccola pianta mangia-insetti è riuscita a raggiungere questa parsimonia nonostante tre cicli di duplicazione del genoma. In teoria, ha otto copie di ogni gene, rispetto all’antenato a due copie di quasi tutte le piante vere o “eudicotiche”, un enorme gruppo di piante da fiore. Questo lo rende octoploide. (Potrebbe essere anche più ploide di così se si tiene conto che le eudicote sembrano aver triplicato i loro genomi poco dopo essersi evolute). Ma in pratica, e per ragioni che gli scienziati non capiscono del tutto, la vescica ha in qualche modo eliminato tutte le copie tranne una della maggior parte dei suoi geni duplicati, insieme alla grande maggioranza del suo DNA non codificante le proteine. Ora *questa è* efficienza.
La sequenza genetica completa del loto sacro è stata pubblicata il 10 maggio. Il loto sembra essere la prima pianta ad essersi separata dal resto delle eudicacee, anche prima della prima triplicazione del genoma a cui ho alluso sopra. Ma ha raddoppiato separatamente il proprio genoma qualche tempo dopo. Sospettosamente, gli autori del documento che rivela la sua relazione sulla sequenza, il raddoppio sembra aver avuto luogo circa 65 milioni di anni fa.
Questo è notevole, naturalmente, perché è proprio intorno al tempo in cui il nostro pianeta è stato colpito dall’asteroide che ha detto sayonara ai dinosauri – ma anche a circa il 60% delle specie vegetali. Durante i periodi di stress ambientale, gli autori notano, le piante che hanno duplicato i loro genomi sembrano adattarsi e sopravvivere meglio. Si potrebbe ipotizzare che sia grazie al materiale grezzo che un secondo, superfluo set di geni fornisce alla selezione naturale per creare proteine con nuove funzioni.
Molte altre specie di piante sembrano aver raddoppiato i loro genomi al tempo dell’impatto dell’asteroide K-T, scrivono gli autori, suggerendo che qualunque fossero le condizioni di allora, la poliploidia sembra essere stata una buona strategia di sopravvivenza per le piante. Era anche un’opzione molto meno disponibile per gli animali, che, per questa e probabilmente molte altre ragioni (manca loro la capacità di alcune piante di creare strutture di riposo fortificate e andare in letargo, per esempio) hanno subito perdite più pesanti. Si pensa che forse l’80% delle specie animali della Terra si sia estinto nelle catastrofiche conseguenze dell’impatto.
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