Un nuovo articolo pubblicato oggi (24 aprile) sulla rivista Nature da un team internazionale di 279 scienziati guidati dai Royal Botanic Gardens, Kew presenta la comprensione più aggiornata dell'albero della vita, una pianta da fiore.
Utilizzando 1,8 miliardi di lettere del codice genetico di oltre 9.500 specie che coprono quasi 8.000 generi conosciuti di piante da fiore (circa il 60%), questo incredibile risultato getta nuova luce sulla storia evolutiva delle piante da fiore e sulla loro ascesa al dominio ecologico sulla Terra.
Gli autori dello studio ritengono che i dati aiuteranno i futuri tentativi di identificare nuove specie, perfezionare la classificazione delle piante, scoprire nuovi composti medicinali e conservare le piante di fronte ai cambiamenti climatici e alla perdita di biodiversità.
L’importante pietra miliare per la scienza delle piante, guidata da Kew e coinvolgendo 138 organizzazioni a livello internazionale, è stata costruita su una quantità di dati 15 volte superiore a quella di qualsiasi studio comparabile sull’albero della vita, una pianta da fiore. Tra le specie sequenziate per questo studio, più di 800 non hanno mai avuto il loro DNA sequenziato prima.
L’enorme quantità di dati sbloccati da questa ricerca, che richiederebbe 18 anni di elaborazione a un singolo computer, rappresenta un enorme passo avanti verso la costruzione di un albero della vita per tutte le 330.000 specie conosciute di piante da fiore:un’enorme impresa da parte della Tree of Life Initiative di Kew.
Il dottor Alexandre Zuntini, ricercatore presso RBG Kew, afferma:"Analizzare questa quantità di dati senza precedenti per decodificare le informazioni nascoste in milioni di sequenze di DNA è stata una sfida enorme. Ma ha anche offerto l'opportunità unica di rivalutare ed estendere la nostra conoscenza del pianta albero della vita, aprendo una nuova finestra per esplorare la complessità dell'evoluzione delle piante."
Sbloccare esemplari di erbario storico per ricerche all'avanguardia
L'albero della vita delle piante in fiore, proprio come il nostro albero genealogico, ci consente di comprendere in che modo le diverse specie sono correlate tra loro. L'albero della vita viene scoperto confrontando le sequenze di DNA tra diverse specie per identificare i cambiamenti (mutazioni) che si accumulano nel tempo come un fossile molecolare.
La nostra comprensione dell’albero della vita sta migliorando rapidamente di pari passo con i progressi nella tecnologia di sequenziamento del DNA. Per questo studio sono state sviluppate nuove tecniche genomiche per catturare magneticamente centinaia di geni e centinaia di migliaia di lettere di codice genetico da ogni campione, ordini di grandezza in più rispetto ai metodi precedenti.
Un vantaggio chiave dell'approccio del team è che consente di sequenziare un'ampia varietà di materiale vegetale, vecchio e nuovo, anche quando il DNA è gravemente danneggiato. I vasti tesori di materiale vegetale essiccato nelle collezioni di erbari del mondo, che comprendono quasi 400 milioni di campioni scientifici di piante, possono ora essere studiati geneticamente.
Utilizzando tali campioni, il team ha sequenziato con successo un esemplare di erba della sabbia (Arenaria globiflora) raccolto quasi 200 anni fa in Nepal e, nonostante la scarsa qualità del suo DNA, è riuscito a collocarlo nell'albero della vita.
Il team ha anche analizzato piante estinte, come l'olivo dell'isola di Guadalupe (Hesperelaea palmeri), che non è stato visto vivo dal 1875. Infatti, 511 delle specie sequenziate sono già a rischio di estinzione, secondo la Lista Rossa IUCN, tra cui altri tre come Hesperelaea che sono già estinti.
Il professor William Baker, responsabile senior della ricerca su Tree of Life, afferma:"In molti modi questo nuovo approccio ci ha permesso di collaborare con i botanici del passato attingendo alla ricchezza di dati racchiusi negli esemplari storici dell'erbario, alcuni dei quali erano raccolti già all'inizio del XIX secolo.
"I nostri illustri predecessori come Charles Darwin o Joseph Hooker non avrebbero potuto prevedere quanto sarebbero stati importanti questi campioni nella ricerca genomica odierna. Il DNA non è stato scoperto nemmeno quando erano in vita!
"Il nostro lavoro dimostra quanto siano importanti questi incredibili musei botanici per gli studi innovativi sulla vita sulla Terra. Chissà quali altre opportunità scientifiche non ancora scoperte si trovano al loro interno?"
Di tutte le 9.506 specie sequenziate, più di 3.400 provenivano da materiale proveniente da 163 erbari in 48 paesi. Materiale aggiuntivo proveniente da collezioni di piante in tutto il mondo (ad esempio, banche del DNA, semi, collezioni viventi) è stato fondamentale per colmare le principali lacune conoscitive e gettare nuova luce sulla storia dell'evoluzione delle piante da fiore. Il team ha inoltre beneficiato di dati disponibili al pubblico per oltre 1.900 specie, evidenziando il valore dell'approccio scientifico aperto per la futura ricerca genomica.
Le piante da fiore da sole rappresentano circa il 90% di tutta la vita vegetale conosciuta sulla terra e si trovano praticamente ovunque sul pianeta, dai tropici più umidi agli affioramenti rocciosi della penisola antartica. Eppure, la nostra comprensione di come queste piante siano arrivate a dominare la scena subito dopo la loro origine ha sconcertato gli scienziati per generazioni, incluso Charles Darwin.
Le piante da fiore hanno avuto origine più di 140 milioni di anni fa, dopo di che hanno rapidamente superato le altre piante vascolari, compresi i loro parenti viventi più stretti:le gimnosperme (piante non fiorite che hanno semi nudi, come cicadee, conifere e ginkgo).
Darwin era sconcertato dalla comparsa apparentemente improvvisa di una tale diversità nella documentazione fossile. In una lettera del 1879 a Joseph Dalton Hooker, suo stretto confidente e direttore di RBG Kew, scrisse:"Il rapido sviluppo, per quanto possiamo giudicare, di tutte le piante superiori negli ultimi tempi geologici è un mistero abominevole."
Utilizzando 200 fossili, gli autori hanno ridimensionato il loro albero della vita nel tempo, rivelando come le piante da fiore si sono evolute nel corso del tempo geologico. Hanno scoperto che le piante a fioritura precoce sono effettivamente esplose in termini di diversità, dando origine a oltre l'80% dei principali lignaggi che esistono oggi poco dopo la loro origine.
Tuttavia, questa tendenza è poi scesa a un ritmo più costante per i successivi 100 milioni di anni fino a un’altra ondata di diversificazione avvenuta circa 40 milioni di anni fa, in coincidenza con un calo globale delle temperature. Queste nuove intuizioni avrebbero affascinato Darwin e sicuramente aiuteranno gli scienziati di oggi ad affrontare le sfide legate alla comprensione di come e perché le specie si diversificano.
Una collaborazione davvero globale
Assemblare un albero della vita così esteso sarebbe stato impossibile senza la collaborazione degli scienziati di Kew con molti partner in tutto il mondo. In totale, sono stati coinvolti nella ricerca 279 autori, in rappresentanza di molte nazionalità diverse, provenienti da 138 organizzazioni in 27 paesi. Tra questi figura il consorzio Genomics for Australian Plants (GAP), che è stato il primo ad adottare le tecniche del team e che ha lavorato in stretta collaborazione con Kew per massimizzare il numero di specie di piante australiane nell'albero.
I collaboratori internazionali hanno anche condiviso la loro competenza botanica unica, nonché molti preziosi campioni di piante provenienti da tutto il mondo che non potrebbero essere ottenuti senza il loro aiuto. La natura onnicomprensiva dell'albero è in gran parte il risultato di questa meravigliosa collaborazione.
La Dott.ssa Mabel Lum, Program Manager presso Bioplatforms Australia e del consorzio GAP, afferma:"Siamo orgogliosi di essere un partner e collaboratore importante nello sforzo di RBG Kew di costruire un'infrastruttura di ricerca globale per far avanzare la nostra comprensione delle piante da fiore dell'albero della vita. Questo una collaborazione fruttuosa ha sottolineato il nostro impegno nel promuovere l'innovazione e la collaborazione nella ricerca scientifica, fornendo un trampolino di lancio per scoperte future che contribuiranno a modellare la nostra comprensione del mondo naturale per le generazioni a venire."
Far buon uso della pianta albero della vita
L’albero della vita, una pianta da fiore, ha un enorme potenziale nella ricerca sulla biodiversità. Questo perché, proprio come si possono prevedere le proprietà di un elemento in base alla sua posizione nella tavola periodica, la collocazione di una specie nell'albero della vita ci permette di prevederne le proprietà. I nuovi dati saranno quindi preziosi per migliorare molte aree della scienza e non solo.
Per consentire ciò, l’albero e tutti i dati che lo sostengono sono stati resi apertamente e liberamente accessibili sia al pubblico che alla comunità scientifica, anche attraverso Kew Tree of Life Explorer. Gli autori dello studio ritengono che tale accesso aperto sia fondamentale per democratizzare l'accesso ai dati scientifici in tutto il mondo.
L’accesso aperto aiuterà inoltre gli scienziati a utilizzare al meglio i dati, ad esempio combinandoli con l’intelligenza artificiale per prevedere quali specie vegetali potrebbero includere molecole con potenziale medicinale. Allo stesso modo, l’albero della vita può essere utilizzato per comprendere e prevedere meglio come parassiti e malattie influenzeranno in futuro le piante del Regno Unito. In definitiva, notano gli autori, le applicazioni di questi dati saranno guidate dall'ingegno degli scienziati che vi accederanno.
La Dott.ssa Melanie-Jayne Howes, Senior Research Leader presso RBG Kew, che non era un'autrice dello studio ma utilizzerà i dati nella sua ricerca, afferma:"Le sostanze chimiche vegetali hanno ispirato molti farmaci, ma hanno ancora un grande potenziale non sfruttato per aiutare la futura scoperta di farmaci. La sfida è sapere quali indagare scientificamente nella ricerca di nuovi farmaci tra le circa 330.000 specie di piante da fiore.
"A Kew stiamo applicando l'intelligenza artificiale per prevedere quali specie vegetali contengono sostanze chimiche con potenziale farmaceutico per la malaria. La disponibilità di questo vasto nuovo set di dati offre interessanti opportunità per migliorare queste previsioni e quindi accelerare la scoperta di farmaci dalle piante anche per la malaria e altre malattie."
Specie notevoli nell'albero della vita delle piante da fiore
Ulteriori informazioni: Zuntini, A. R., Carruthers, T. et al, Filogenomica e l'ascesa delle angiosperme, Natura (2024). www.nature.com/articles/s41586-024-07324-0
Informazioni sul giornale: Natura
Fornito da Royal Botanic Gardens, Kew
