Il vigore ibrido dell’eterosi dipende dall’attivazione di un maggior numero di geni

Una ricerca compiuta presso l’Università di Bonn ha fornito una differente spiegazione al meccanismo dell’eterosi, cioè del ‘vigore ibrido’ che si genera nelle piante che si sviluppano da semente ricavata attraverso l’incrocio di due linee in-breed (autofecondate artificialmente per varie generazioni). Il vigore ibrido dell’eterosi consente di ottenere un forte incremento produttivo, che però diminuisce nelle generazioni successive, nelle quali l’omozigosi aumenta sempre di più. Infatti un campo di mais ibrido è composto di piante geneticamente uguali tra loro e quindi dotate di un pool genico molto ridotto. Questa circostanza rende necessario acquistare ogni anno nuova semente ibrida F1, o tornare ad utilizzare una normale varietà a più ampia base genetica.

Il mais è bene precisare è una specie monoica (avente cioè fiori maschili e femminili su una stessa pianta), ma è auto-incompatibile: ogni pianta non è infatti in grado di auto-fecondarsi spontaneamente, sebbene siano presenti sia i fiori maschili che quelli femminili. Ciò dipende da una maturazione dei gameti maschili più precoce di quelli femminili (proterandria).
Questo fenomeno determina l’interfecondazione e quindi l’abituale eterozigosi delle varietà di questa pianta, cioè la presenza in alta percentuale nel suo genotipo di coppie di alleli, ciascuno portatore di espressioni differenti di uno stesso carattere, dei quali uno (dominante), prevale sull’altro (recessivo).

Il fenomeno dell’eterosi si instaura incrociando due, o più linee omozigoti di mais, ottenute autofecondando le piante artificialmente. Essa aveva già una sua spiegazione che appare già esaustiva, ma è anche vero che, con l’evolversi della genetica, i ricercatori sono spesso tornati a rivisitare l’eterosi, come altri fenomeni, per trovare, sulla base delle nuove conoscenze, una nuova interpretazione al collegato incremento produttivo.

Finora l’eterosi era stata ben spiegata sulla sola base della genetica mendeliana, ma lo svilupparsi, negli ultimi anni, di studi sull’epigenetica ha prodotto molti spunti, che hanno creato lo spazio per una reinterpretazione di questo fenomeno.

Un gruppo di ricercatori dell’università di Bonn era al lavoro sull’eterosi già da alcuni anni, ma una loro razionale e differente spiegazione non era però finora emersa. Come spiega il Prof.Dr. Frank Hochholdinger dell’Istituto di Scienza delle Colture e Conservazione delle Risorse (INRES) dell’Università di Bonn: 'Siamo stati in grado di mostrare che la progenie ibrida, ha molti più geni attivi delle linee parentali. Ma a quell’epoca non sapevamo se ciò si verificava proprio in questa specifica combinazioni di linee parentali, o se era un meccanismo di carattere generale.'

Jutta Baldauf, anche lei dell’INRE aggiunge: 'Abbiamo ora analizzato quali geni erano trascritti nelle piante originarie e quali nella progenie. Ciò ha confermato le scoperte del lavoro inizialmente realizzato: Gli ibridi contenevano sempre, rispetto alle linee parentali, un molto più ampio numero di geni attivi'.

Essi hanno quindi dedotto che l’effetto del vigore ibrido era la sommatoria di molteplici alleli attivi, che convergevano dalle due linee parentali auto-fecondate negli ibridi ottenuti dal loro incrocio: in tal caso i geni attivi sarebbero posti in loci differenti tra le due linee e quindi nell’ibrido si assommano, riattivando molti geni inattivi, che complessivamente risultavano, nell’ibrido di prima generazione, in numero molto maggiore rispetto alle due linee originarie.

Anche il concetto dell’aumento dei geni attivi non è diverso da quanto già noto, ma gli scienziati dell’Università di Bonn, pur parlando genericamente di regolazione di coppie di geni omologhi (alleli) e quindi senza far apertamente riferimento all’epigenetica, hanno però spiegato che la debolezza delle piante auto-fecondate dipende da una crescente inattivazione genica (di generazione in generazione), che può riguardare uno o entrambi i geni omologhi (alleli), in molteplici loci genici delle linee auto-fecondate. Nella genetica mendeliana si spiega invece la debolezza delle linee omozigoti con la prevalenza, nei loci genici, di geni recessivi allo stato omozigote.

L’inattivazione genica in senso stretto è un ambito d’interesse dell’epigenetica, una branca della genetica che ha avuto un notevole sviluppo negli ultimi anni; essa si verifica per l’interazione di un fattore ambientale, che cambia l’espressione fenotipica di un carattere codificato nel DNA. Tale espressione fenotipica non dipende quindi direttamente dal genotipo, ma dalla sua regolazione indotta da fattori esterni (in questo caso l’aufecondazione); essa può inoltre essere ereditabile. Pertanto due teoriche piante geneticamente uguali possono comunque apparire differenti, poiché alcuni geni possono essere in una pianta allo stato attivo e nell’altra allo stato inattivo.

Come indicano gli scienziati dell’Università di Bonn, l’eterosi sarebbe da ricollegarsi a un effetto sommatorio di 500-600 coppie di geni omologhi (alleli) denominati 'Single Parent Expression' (SPE), relativi a vari caratteri minori codificati nel genotipo del mais. Tali geni, acquisiti dal mais nella sua evoluzione, sono prevalentemente attivi nell’ibrido eterotico, mentre nelle linee parentali auto-fecondate divengono di generazione in generazione sempre più inattivi; a volte permanenza di uno solo dei due geni omologhi garantisce comunque l’espressione del carattere collegato (di qui il significato dell’acronimo ‘SPE’). Quando però neanche uno dei due alleli rimane attivo, il carattere collegato non viene decodificato durante la sintesi proteica; se ciò si verifica, a livello di vari loci genici, viene contemporaneamente meno l’attività di vari enzimi e diminuisce il vigore della pianta.
Pertanto l’effetto, anche in singola dose, dei geni SPE non pare derivare dalla prevalenza di un gene dominante su uno recessivo, tipica di una coppia di alleli allo stato eterozigote (genetica mendeliana), ma dall’inattivazione di un gene e prevalenza dell’altro.

Come spiega Baldauf:'In media noi contiamo quindi più geni attivi nella progenie'.
'L’effetto sommatorio dei geni SPE, la cui abbreviazione sta per “a singola espressione parentale”, potrebbe essere uno dei fattori per i quali gli ibridi si comportano meglio che i loro genitori', sottolinea il Prof. Hochholdinger.
Un’altra causa di diminuzione del vigore di piante auto-fecondate è che alcuni dei geni SPE inattivi codificherebbero dei fattori di trascrizione, ovvero speciali proteine che sottendono la regolazione di altri geni; pertanto il loro ‘spegnimento’ può anche ripercuotersi sui geni da essi regolati.

Le piante auto-fecondate, sebbene meno vigorose, viene evidenziato che possono comunque sopravvivere all’inattivazione dei geni SPE per la presenza anche di un pool genico di base, costituito da circa 40.000 geni, che caratterizza le piante di mais ormai da milioni di anni. Questi geni, estremamente importanti non sono quindi inattivati nelle linee auto-fecondate, ma una loro eventuale mutazione potrebbe invece avere gravi effetti sul potenziale produttivo di questa coltura.

Al verificarsi dell’ibridazione i semi, che si sviluppano dall’inter-fecondazione di due linee parentali altamente omozigoti, contengono invece buona parte dei geni SPE allo stato attivo (almeno uno dei due alleli per ogni locus genico) e quindi l’effetto sommatorio presente nella semente ibrida, essendo maggiore rispetto a quello di una normale pianta di mais, determina il vigore ibrido tipico dell’eterosi, secondo quanto hanno chiarito i ricercatori dell’università di Bonn.
Il loro lavoro di ricerca è stato pubblicato nella rivista ‘Current Biology’.

Per quanto riguarda le prospettive applicative di questo studio come prefigura il prof. Hochholdinger:’Attraverso i geni SPE, noi forniamo ai coltivatori di piante dei marcatori genetici per questo scopo. ‘Può essere possibile scegliere specifici partners (linee da autofecondare) sulla base di questi marcatori, che potrebbero originare ibridi particolarmente produttivi’.


Per chi sia interessato ad approfondire questi argomenti è utile segnalare due articoli pubblicati precedentemente su Agrolinker e che approfondiscono la regolazione epigenetica dell’eterosi:

Il primo, pubblicato a fine 2016 è intitolato: 'Il vigore ibrido dell'eterosi dipende da un regolazione epigenetica tramite metilazione del DNA.' La corrispondente ricerca sottende parte dei risultati dello studio dell’Università di Bonn, poiché mostra più dettagliatamente, ma con riferimento alla pianta test Arabidopsis thaliana, come una regolazione di natura epigenetica possa agire sul genotipo inattivando dei geni.

Essa è, in generale, mediata da altri geni, che codificando enzimi, attivano delle reazioni biochimiche che agiscono a volte sull’m-RNA bloccando la trascrizione del codice di un gene, a volte agiscono sul DNA attivando, o disattivando un dato gene. Nell’articolo qui citato e relativo all’eterosi in piante test di Arabidopsis thaliana viene indicato che l’inattivazione genica avverrebbe a livello biochimico in seguito a metilazione della citosina del DNA, indotta dalla continua autofecondazione, a cui segue la stabilizzazione di tale metilazione. La citosina è una base presente sia nei nucleotidi che compongono il DNA, che in quelli dell’RNA.


Un altro studio precedente mostra invece, attraverso un articolo pubblicato nel 2012, come nel mais agiscano in funzione di regolazione epigenetica i siRNA (=small-interfering-RNA).

L’inattivazione provocata dai si-RNA interviene, attraverso enzimi regolatori da essi codificati, direttamente sull’RNA-messaggero, bloccando la trascrizione del gene inattivato dalla catena di DNA (=regolazione epigenetica).


Fonte/i: University of Bonn, 18 gennaio 2018

Autore dell'articolo: , 31 gennaio 2018

Indirizzo permanente di questo articolo: https://www.agrolinker.com/?id=1779

© Riproduzione Riservata          Collegamento all'elenco dei feeds RSS di Agrolinker         

I commenti per questo articolo sono stati chiusi.

Alcuni articoli tematicamente collegati:
  1. Identificato carattere migliorabile per incrementare l'assorbimento di azoto nel riso

  2. Il vigore ibrido dell’eterosi dipende dall’attivazione di un maggior numero di geni

  3. Nuova varietà frumento ricca di fibra aiuterà a proteggere l'intestino

  4. Nuovo percorso di ricerca di varietà di pomodoro e patata resistenti alla muffa grigia

  5. Le proteine RICE 1 e 2 hanno un importante ruolo nel silenziamento di geni vegetali

Collegamento all'elenco dei feeds RSS di Agrolinker