Una nuova analisi su larga scala delle relazioni tra i membri della più grande sottofamiglia di graminacee, che include grano e orzo, rivela eventi di duplicazione genica che hanno contribuito all'adattamento delle piante a temperature più fresche. Questi adattamenti hanno permesso alle erbe di prosperare nei climi temperati e sono stati sfruttati dall'uomo per estendere la gamma e la stagione per la coltivazione di importanti piante coltivate. Un articolo che descrive lo studio, condotto da scienziati della Penn State, appare online sulla rivista Biologia molecolare ed evoluzione .

"Le erbe sono la quinta famiglia di piante più grande con oltre 11.000 specie", hanno affermato Hong Ma, Dorothy Foehr Huck e J. Lloyd Huck Chair of Plant Reproductive Development and Evolution e professore di biologia alla Penn State e leader del team di ricerca. "Crescono in modo nativo in tutti e sette i continenti, inclusa una delle due piante da fiore autoctone dell'Antartide. Molti membri della più grande sottofamiglia di erbe, nota come Pooideae, si sono adattati per crescere in ambienti temperati. Per studiare i potenziali fattori che hanno portato a questo adattamento freddo , abbiamo eseguito un'analisi dell'albero genealogico Pooideae utilizzando un ampio set di geni nucleari."

Il team di ricerca ha confrontato i trascrittomi, sequenze di DNA di tutti i geni espressi da un organismo, di 157 specie di Pooideae che coprono quasi tutte le principali suddivisioni all'interno della sottofamiglia.

"Questo gruppo di erbe ha iniziato ad espandersi circa 50 milioni di anni fa, quando la Terra era in un periodo di raffreddamento", ha detto Ma. "La Terra era molto più calda allora, ma anche le piante e gli animali erano molto diversi. Queste erbe erano in grado di prosperare perché potevano adattarsi all'ambiente mutevole. Tutte le principali suddivisioni all'interno della sottofamiglia, chiamate tribù, furono stabilite nel prima parte di questo periodo di raffreddamento. Successivamente si è verificata un'altra grande espansione che ha portato a una grande diversificazione a livello di specie. Il successo odierno di questa sottofamiglia di circa 4.000 specie, ha beneficiato della sua capacità di adattamento quando la Terra si stava raffreddando."

Come sono state queste erbe in grado di adattarsi così bene all'ambiente mutevole? Hanno sviluppato tratti più adatti alle temperature più fredde, inclusi fiori con forme e dimensioni diverse, fioritura dipendente dal freddo e adattamenti molecolari che riducono il congelamento cellulare. Tutti questi cambiamenti si basano sull'innovazione genetica.

Una delle principali fonti di innovazione genetica è la duplicazione genetica. La duplicazione genica può verificarsi quando gli errori durante la replicazione o la ricombinazione del genoma provocano copie extra di geni. Queste copie extra sono spesso funzionalmente ridondanti rispetto alle copie originali del gene e possono quindi tollerare le mutazioni più liberamente. Spesso sono mutati al punto da perdere del tutto la loro funzione, ma a volte queste mutazioni possono portare a innovazioni funzionali.

"Il nostro studio delle relazioni tra le specie in questa sottofamiglia di erbe ci ha permesso di tracciare i cambiamenti adattativi relativi ai cambiamenti geologici e climatici", ha affermato Ma. "Ci ha anche permesso di identificare le duplicazioni genetiche che si sono verificate nel tempo e probabilmente ha supportato questo adattamento".

Un esempio di duplicazione genica che probabilmente ha aiutato nell'adattamento al freddo di queste erbe sono i geni CBF. Studi molecolari hanno dimostrato un ruolo per CBF e geni correlati nella capacità di una pianta di tollerare il congelamento. I ricercatori mostrano che i primi membri della sottofamiglia Pooideae avevano probabilmente tre copie di questi geni. L'orzo moderno ne ha 20 e il frumento 37. Un altro esempio sono i geni AP1/FUL che sono coinvolti nella vernalizzazione, la capacità delle piante di far fronte ai cambiamenti stagionali e agli inverni lunghi e freddi e hanno sperimentato duplicazioni simili in Pooideae.

"Possiamo tenere traccia di quando questi eventi di duplicazione si sono verificati nell'albero genealogico dei Pooideae e associarli ai cambiamenti ambientali per comprendere meglio il processo di adattamento al freddo in queste erbe", ha affermato Ma. "Dato che ora stiamo vivendo un altro periodo di cambiamento ambientale globale, capire come le piante si adattano a questo tipo di cambiamento potrebbe essere più importante che mai".