Le felci sono famose per contenere enormi quantità di DNA e un numero eccessivamente elevato di cromosomi. Sfidando tutte le aspettative, una felce non più grande di un piatto da portata detiene attualmente il titolo per il più alto numero di cromosomi, con ben 720 paia stipate in ciascuno dei suoi nuclei. Questa propensione per le felci ad accumulare DNA ha sconcertato gli scienziati e le dimensioni intrattabili dei loro genomi hanno reso difficile il loro sequenziamento, assemblaggio e interpretazione.

Ora, due articoli pubblicati sulla rivista Nature Plants stanno riscrivendo la storia con i primi genomi a figura intera per le felci omospore, un grande gruppo che contiene il 99% di tutta la moderna diversità delle felci.

"Ogni genoma racconta una storia diversa", ha affermato il coautore Doug Soltis, un illustre professore del Florida Museum of Natural History. "Le felci sono i parenti viventi più stretti di tutte le piante da seme e producono deterrenti chimici per gli erbivori che possono essere utili per la ricerca agricola. Eppure, fino ad ora, sono rimaste l'ultimo grande lignaggio della vita verde senza una sequenza del genoma".

Due team di ricercatori hanno svelato separatamente il genoma di Ceratopteris (Ceratopteris richardii) questo giovedì e quello della felce arborea delle scimmie ragno volante (Alsophila spinulosa) il mese scorso.

L'analisi del genoma di Ceratopteris fornisce suggerimenti per risolvere il mistero di lunga data del motivo per cui le felci, in media, conservano più DNA di altre piante. Il confronto con i genomi di altri gruppi ha portato anche alla scoperta a sorpresa che le felci hanno rubato i geni di molte delle loro tossine anti-erbivori dai batteri.

Il genoma di Ceratopteris smentisce una teoria vecchia di decenni, lasciando più domande che risposte

Dagli anni '60, la spiegazione più favorita del motivo per cui le felci contengono così tanto DNA ha invocato duplicazioni dilaganti dell'intero genoma, in cui un set aggiuntivo di cromosomi viene accidentalmente trasmesso alla prole di un organismo. Questo a volte può essere vantaggioso, poiché tutti i geni extra possono quindi essere utilizzati come materia prima per l'evoluzione di nuovi tratti. In effetti, la duplicazione dell'intero genoma è stata implicata nell'origine di quasi tutte le colture.

La duplicazione dell'intero genoma è comune nelle piante e persino in alcuni animali, ma la maggior parte degli organismi tende a gettare via il bagaglio genetico extra nel tempo, riducendosi a genomi più piccoli che sono metabolicamente più facili da mantenere.

"Questo è stato un importante punto di discussione nell'ultimo mezzo secolo e ha portato a tutti i tipi di risultati contrastanti", ha affermato l'autore principale Blaine Marchant, uno studioso post-dottorato alla Stanford University ed ex studente laureato al Florida Museum. "Cercare di capire il processo evolutivo alla base di questo paradosso è incredibilmente importante."

Con i primi genomi di felci omospore completamente assemblati, gli scienziati sono stati finalmente preparati ad affrontare questa domanda, ma arrivarci non è stato facile. Il sequenziamento del genoma ampio e complesso di Ceratopteris ha richiesto oltre otto anni di lavoro e lo sforzo combinato di dozzine di ricercatori provenienti da 28 istituzioni in tutto il mondo, incluso il Joint Genome Institute del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. Il risultato finale è stato di 7,46 gigabasi di DNA, più del doppio delle dimensioni del genoma umano.

Se Ceratopteris si fosse accumulato sul DNA attraverso ripetuti eventi di duplicazione del genoma, i ricercatori si aspettavano che grandi porzioni delle sue 39 coppie di cromosomi sarebbero state identiche. Quello che hanno trovato invece era un miscuglio di sequenze ripetitive e milioni di brevi frammenti chiamati geni saltatori, che rappresentavano l'85% del DNA della felce. Piuttosto che più copie del genoma, Ceratopteris contiene principalmente detriti genetici accumulati nel corso di milioni di anni.

"I geni funzionali sono separati da grandi quantità di DNA ripetitivo. E sebbene non siamo ancora sicuri di come i Ceratopteris e altri genomi di felci siano diventati così grandi, è chiaro che la visione prevalente di episodi ripetuti di duplicazione del genoma non è supportata", ha affermato co-autrice Pam Soltis, curatrice del Florida Museum e illustre professore.

Gli autori fanno notare che è troppo presto per trarre conclusioni definitive, soprattutto perché questa è la prima analisi della sua portata condotta in questo gruppo. I confronti incrociati con altri genomi di felci in futuro aiuteranno a dipingere un quadro più chiaro di come queste piante si sono evolute.

Tuttavia, i risultati indicano una chiara differenza nel modo in cui le felci omospore gestiscono il loro contenuto genetico rispetto a quasi tutte le altre piante, ha affermato Marchant.

"Quello che sembra che stiamo scoprendo è che cose come le piante da fiore, che in media hanno genomi molto più piccoli delle felci, sono semplicemente più brave a sbarazzarsi del DNA spazzatura. Sono più brave a far cadere i cromosomi di riserva e persino a ridimensionarsi dopo piccole duplicazioni".

Le felci hanno rubato ripetutamente le tossine dai batteri

Uno sguardo più da vicino ai miliardi di coppie di basi del DNA all'interno di Ceratopteris ha rivelato più geni di difesa che codificano per un tipo particolarmente sinistro di tossina che forma i pori. Queste tossine si legano alle cellule, dove si attivano e formano piccoli anelli cavi che penetrano nella membrana cellulare. L'acqua si riversa nelle cellule attraverso i fori risultanti, provocandone la rottura.

Le tossine che formano i pori sono state studiate intensamente dagli scienziati per il loro potenziale utilizzo nella tecnologia dei nanopori, ha spiegato Marchant. Molto spesso, tuttavia, si trovano nei batteri.

"Questa è la prima prova concreta di questi geni correlati alla tossina batterica all'interno del DNA della felce", ha detto Marchant, osservando che la somiglianza non è una coincidenza.

Piuttosto che evolvere questa tossina da sola, Ceratopteris sembra averla ottenuta direttamente dai batteri attraverso un processo chiamato trasferimento genico orizzontale. E dato che c'erano più copie del gene sparse tra tre cromosomi separati, è probabile che ciò sia accaduto più di una volta.

"La cosa affascinante è che le molte copie di questi geni si trovano in diverse parti della pianta", ha detto. "Alcuni sono altamente espressi nello stelo e nelle radici, mentre altre copie sono espresse esclusivamente nelle foglie e altri sono generalmente espressi in tutti i tessuti. Non possiamo essere sicuri dell'esatta funzione di questi geni a questo punto, ma la loro somiglianza con il i geni che formano le tossine nei batteri suggeriscono sicuramente che questi geni sono legati alla difesa".

Questa non sarebbe la prima volta che le felci incorporano DNA estraneo nei loro genomi. Uno studio del 2014 indica che le felci potrebbero aver sviluppato la loro caratteristica capacità di crescere in ambienti ombrosi prendendo in prestito geni da piante lontanamente imparentate.

Tuttavia, non è chiaro come gli organismi separati da milioni di anni di evoluzione siano in grado di scambiare geni completamente funzionali.

"I meccanismi alla base del trasferimento genico orizzontale rimangono una delle aree meno studiate dell'evoluzione delle piante terrestri", ha spiegato Doug Soltis. "Nel corso dei tempi evolutivi, è un po' come vincere alla lotteria. Ogni volta che una pianta viene ferita, il suo interno è suscettibile all'invasione dei microbi, ma l'incorporazione del loro DNA nel genoma sembra incredibile."

Gli autori affermano che questo è solo il primo passo di una lunga serie di studi con applicazioni pratiche che vanno dallo sviluppo di nuovi biopesticidi a nuove strategie di conservazione innovative.

Molti degli autori sono coinvolti nell'attuale sforzo per sequenziare i genomi di tutti gli organismi eucariotici conosciuti entro un arco di tempo di 10 anni. Chiamato Earth Biogenome Project, lo sforzo genererà risorse genomiche indicibili che i ricercatori avranno le mani piene di analisi per il prossimo futuro. + Esplora ulteriormente

Il genoma della felce arborea fornisce informazioni sulla sua evoluzione