Vita segreta dei pomodori: il gene orf137 innesca la sterilità maschile nelle piante di pomodoro

Nonostante la pianta del pomodoro sia coltivata da molto tempo, gli autori di uno studio, effettuato presso l'Università di Tsukuba, osservano che ci sono ancora aspetti non ben noti, parte dei quali emersi dal loro recente studio. E' stato infatti identificato un gene responsabile della maschio-sterilità citoplasmatica, una forma di sterilità genetica, che dipende da porzioni di acido nucleico, contenuto in organuli del citoplasma cellulare, in questo caso i mitocondri. Un successivo articolo pubblicato a febbraio su Plant Physiology ha spiegato più dettagliatamente il meccanismo che sottende tale recente scoperta.

La sterilità maschile citoplasmatica (CMS) è una caratteristica che determina che una pianta non sia in grado di produrre polline fertile. Ciò dipende dal subentrare di un'incompatibilità tra i genomi del nucleo e dei mitocondri. Questa caratteristica, che potrebbe sembrare negativa, viene invece utilizzata in agricoltura, per produrre in modo efficiente semi ibridi F1, cioè facenti parte della prima generazione filiale, originante dall'incrocio di due genitori geneticamente differenti.

Il meccanismo della maschio-sterilità è stato studiato in molte piante, particolarmente nei cereali. La scoperta della sua applicabilità anche ai pomodori costituisce quindi un'indubbia novità, trattandosi di piante dicotiledoni. Essa dipende da geni che sono contenuti nel genoma dei mitocondri, organuli cellulari, in cui avvengono le attività di respirazione e la collegata produzione di energia chimica (ATP).

In condizioni normali le piante di alcune specie sono meno idonee a essere ibridate, poiché dotate di fiori ermafroditi, oppure di fiori maschili e femminili. In tal caso gli organi maschili dei fiori di entrambe le piante possono produrre polline e quindi ostacolare l'effettuazione del 100% d'impollinazione incrociata (tra due linee genitrici, geneticamente differenti), poiché una parte del polline proverrà dai fiori maschili, o dagli organi maschili di fiori ermafroditi della stessa pianta.

Per un'agevole ed efficiente ibridazione di due linee geneticamente differenti è quindi necessario che un gruppo di piante siano dotate solo di fiori femminili, oppure di fiori ermafroditi aventi (solo) gli organi riproduttivi femminili vitali; altre piante devono avere solo fiori maschili, o fiori con organi maschili vitali. Ciò può essere appunto ottenuto sfruttando la 'maschio-sterilità citoplasmatica'.

Come riferisce Tohru Ariizumi, autore anziano di questa ricerca: “I geni associati alla maschio-sterilità citoplasmatica sono stati trovati in una serie di colture come mais, grano e riso, ma finora nessuno era stato identificato nei pomodori. Abbiamo deciso di cercare questi geni usando il 'mitoTALENs' ”.

I MitoTALENs, come è stato spiegato, sono enzimi nucleasi 'attuatori', simili ad attivatori della trascrizione mitocondriale (=mitochondrial transcription activator-like effector nucleases). Essi sono emersi recentemente come uno strumento innovativo per effettuare il Genome-Editing, ovvero per determinare modifiche genomiche. Le modifiche genomiche in tal modo create consentono d'interferire col funzionamento di parecchi geni mitocondriali associati alla maschio-sterilità citoplasmatica, anche in altre colture agricole.
Confrontando le 'cornici di aperta lettura' (open-reading frames, od ORFs), ossia sequenze di DNA comprese tra i codoni d'inizio e di fine di varietà di pomodoro maschio-sterile e normale, il gruppo di ricercatori ha identificato un gene associato con tale forma di sterilità maschile, denominato 'orf137', che era presente specificamente in genoma mitocondriale di pomodoro maschio-sterile a livello citoplasmatico.

Si è quindi evidenziato che questo strumento di gene-editing attivava mutazioni genomiche localizzate, che causano interruzioni in corrispondenza del gene 'orf137'. I ricercatori aggiungono che il meccanismo di riparazione che segue tali particolari forme d'interruzioni, definite DSB (double-stranded breaks, ovvero rotture a doppio filamento), è mediato da una ricombinazione omologa, che è definita come un percorso di riparazione che mantiene la stabilità del genoma, ovvero che ne evita l'alterazione.

Come riferisce il Professor Ariizumi: 'Abbiamo identificato il gene mitocondriale 'orf137' come quello associato alla maschio-sterilità citopasmatica, che interamente sottende il fenotipo maschio-sterile delle piante di pomodoro affette da maschio-sterilità citoplasmatica.

Gli autori ritengono che dopo l'identificazione del gene orf137 sarà possibile sviluppare un sistema per la creazione di piante ibride F1, a partire da piante maschiosterili portatrici del gene orf137. In tal senso i ricercatori pensano che la disponibilità di piante maschiosterili permetterà un'impollinazione dei fiori femminili, più efficace ed economica di quella manuale, servendosi d'insetti impollinatori.

Questo progetto di ricerca è stato finanziato dal NARO Bio-oriented Technology Research Advancement Institution (Programma di ricerca sullo sviluppo di tecnologie innovative); Borse di ricerca JSPS per giovani scienziati e dalla Fondazione Kazusa DNA Research Institute a KS.