In un nuovo studio pubblicato su Nature Genetics , guidati da Charles Underwood dell'Istituto Max Planck per la ricerca sulla selezione vegetale di Colonia, in Germania, gli scienziati hanno creato un sistema per generare cellule sessuali clonali nelle piante di pomodoro e le hanno utilizzate per progettare i genomi della prole.
La fecondazione di un ovulo clonato di un genitore da parte di uno sperma clonato di un altro genitore ha portato a piante contenenti l'informazione genetica completa di entrambi i genitori.
I semi ibridi, che combinano due diverse linee parentali con caratteristiche favorevoli specifiche, sono popolari in agricoltura poiché danno origine a raccolti robusti con maggiore produttività e sono utilizzati dagli agricoltori da più di cento anni.
L'aumento delle prestazioni degli ibridi è generalmente noto come vigore ibrido, o eterosi, ed è stato osservato in molte specie vegetali (e animali) diverse. Tuttavia, l'effetto dell'eterosi non persiste più nelle generazioni successive di questi ibridi a causa della segregazione delle informazioni genetiche.
Pertanto, ogni anno è necessario produrre nuovi semi ibridi, un’impresa costosa e ad alta intensità di manodopera che non funziona bene per ogni coltura. Allora come possono i tratti benefici, codificati nei geni delle piante ibride, essere trasferiti alla generazione successiva?
In genere, il nostro materiale genetico subisce un rimescolamento durante la meiosi, una divisione cellulare cruciale che si verifica in tutti gli organismi che si riproducono sessualmente. Questo rimescolamento, dovuto alla segregazione casuale dei cromosomi e alla ricombinazione meiotica, è importante per generare configurazioni genetiche nuove e benefiche nelle popolazioni naturali e durante la riproduzione.
Tuttavia, quando si tratta di selezione delle piante, una volta ottenuta un'ottima combinazione, è necessario mantenerla e non perderla rimescolando nuovamente i geni. Avere un sistema che bypassa la meiosi e produca cellule sessuali (ovuli e spermatozoi) geneticamente identiche ai genitori potrebbe avere diverse applicazioni.
In questo studio, Underwood e il suo team hanno creato un sistema in cui sostituiscono la meiosi con la mitosi, una semplice divisione cellulare, nella pianta vegetale più popolare, il pomodoro coltivato. Nel cosiddetto sistema MiMe (mitosi invece di meiosi) la divisione cellulare imita una mitosi, evitando così la ricombinazione e la segregazione genetica, e produce cellule sessuali che sono cloni esatti della pianta madre.
Il concetto del sistema MiMe è stato precedentemente stabilito da Raphael Mercier, direttore dell'Istituto Max Planck per la ricerca sulla selezione vegetale, su Arabidopsis e riso. Un aspetto rivoluzionario del nuovo studio è che per la prima volta i ricercatori hanno sfruttato le cellule sessuali clonali per progettare la prole attraverso un processo che chiamano "progettazione del genoma poliploide".
Solitamente le cellule sessuali hanno un corredo cromosomico dimezzato (nell'uomo 46 cromosomi si riducono a 23; nel pomodoro 24 cromosomi si riducono a 12) mentre le cellule sessuali MiMe sono clonali e quindi questo dimezzamento del corredo cromosomico non avviene.
Underwood e il suo team hanno eseguito incroci in cui l'ovulo clonato di una pianta di pomodoro MiMe è stato fecondato da uno sperma clonale di un'altra pianta di pomodoro MiMe. Le piante di pomodoro risultanti contenevano il repertorio genetico completo di entrambi i genitori ed è quindi composto da 48 cromosomi.
Quindi tutte le caratteristiche favorevoli di entrambi i genitori ibridi sono consolidate, in base alla progettazione, in una nuova pianta di pomodoro. A causa della stretta relazione genetica tra pomodori e patate, il team di Underwood ritiene che il sistema descritto in questo studio possa essere facilmente adattato per l'uso nelle patate, la quinta pianta coltivata più preziosa al mondo, e potenzialmente in altre specie coltivate.
In considerazione dell’aumento della popolazione e dei cambiamenti climatici, lo sviluppo di varietà ad alto rendimento, sostenibili e stabili è fondamentale per garantire l’approvvigionamento alimentare mondiale a lungo termine. Pertanto, è fondamentale coltivare piante che mostrino una maggiore resistenza alle malattie e tolleranza allo stress. Sono essenziali approcci innovativi alle tecnologie di riproduzione vegetale.
Il sistema MiMe e la sua applicazione nell'ingegneria del genoma poliploide potrebbero rappresentare una strada promettente per affrontare le sfide agricole odierne.
"Siamo davvero entusiasti della possibilità di utilizzare cellule sessuali clonali per realizzare la progettazione del genoma poliploide. Siamo convinti che ciò consentirà agli allevatori di sfruttare ulteriormente l'eterosi, l'eterosi progressiva riscontrata nei poliploidi, in modo controllato", afferma Underwood.
"Il sistema MiMe del pomodoro che abbiamo creato potrebbe anche essere utilizzato come componente della produzione di semi clonali (apomissi sintetica) in futuro. Ciò potrebbe ridurre notevolmente il costo di produzione di semi ibridi", aggiunge Yazhong Wang.
Ulteriori informazioni: Yazhong Wang et al, Sfruttare i gameti clonali nelle colture ibride per progettare genomi poliploidi, Nature Genetics (2024). DOI:10.1038/s41588-024-01750-6
Informazioni sul giornale: Genetica della natura
Fornito dalla Max Planck Society
