Dopo secoli di allevamento, i pomodori ora assumono tutti i tipi di forme e dimensioni, dai frutti simili a quelli delle ciliegie ai cimeli pesanti. Gli scienziati stanno stuzzicando a livello di geni come e perché si manifestano questi cambiamenti fisici. Credito:Lippman Lab/CSHL/HHMI
Gli appetiti umani hanno trasformato il pomodoro:il DNA e tutto il resto. Dopo secoli di allevamento, quella che una volta era una bacca sudamericana delle dimensioni di un pisello, ora assume tutti i tipi di forme e dimensioni, da frutti simili a ciliegie a pesanti cimelio di famiglia.
Oggi, gli scienziati stanno spiegando come questi cambiamenti fisici si manifestano a livello di geni, un lavoro che potrebbe guidare gli sforzi moderni per modificare il pomodoro, afferma Zachary Lippman, investigatore dell'Howard Hughes Medical Institute.
Lui e i suoi colleghi hanno ora identificato mutazioni nascoste a lungo nascoste all'interno dei genomi di 100 tipi di pomodoro, tra cui una pianta selvatica a bacca arancione delle Isole Galapagos e varietà tipicamente trasformate in ketchup e salsa.
La loro analisi, descritta il 17 giugno 2020 sulla rivista Cell , è la valutazione più completa di tali mutazioni, che alterano lunghe sezioni di DNA, per qualsiasi pianta. La ricerca potrebbe portare alla creazione di nuove varietà di pomodori e al miglioramento di quelle esistenti, afferma Lippman. Secondo i ricercatori, alcune delle mutazioni identificate dal suo team alterano caratteristiche chiave, come sapore e peso.
Studi precedenti hanno dimostrato da tempo che queste mutazioni esistono nei genomi delle piante, afferma Lippman, genetista vegetale al Cold Spring Harbor Laboratory. "Ma fino ad ora non avevamo un modo efficiente per trovarli e studiarne l'impatto", afferma.
Una finestra sul genoma
Mutazioni, o cambiamenti, nei quattro tipi di lettere del DNA trasportate all'interno delle cellule di un organismo possono alterarne le caratteristiche fisiche. Gli scienziati che studiano le piante si sono generalmente concentrati su un piccolo tipo di mutazione trattabile, in cui una lettera del DNA viene scambiata con un'altra.
Le mutazioni studiate dal team di Lippman sono molto più grandi:modificano la struttura del DNA copiando, eliminando, inserendo o spostando lunghe sezioni di DNA in altre parti del genoma. Queste mutazioni, dette anche variazioni strutturali, si verificano in tutto il mondo vivente. Gli studi sugli esseri umani, ad esempio, hanno collegato queste variazioni a disturbi come la schizofrenia e l'autismo.
I ricercatori hanno dimostrato che la variazione strutturale, in questo caso il numero di copie di un gene, può alterare la frutta. Le piante con tre copie genetiche (a sinistra) producevano frutti più grandi del 30% rispetto a quelle con una (a destra). Credito:M. Alonge et al./Cell 2020
Gli scienziati possono identificare le mutazioni leggendo le lettere del DNA utilizzando una tecnica nota come sequenziamento genetico. I limiti di questa tecnologia, tuttavia, hanno reso difficile la decodifica di lunghe sezioni di DNA, afferma Lippman. Quindi i ricercatori non sono stati in grado di catturare un quadro completo delle mutazioni strutturali nel genoma.
Anche così, i genetisti delle piante hanno sospettato che queste mutazioni contribuiscano in modo significativo ai tratti delle piante, afferma Michael Purugganan, che studia riso e palme da dattero alla New York University e non è stato coinvolto nel nuovo studio. "Ecco perché questo articolo è così eccitante", dice. Il team di Lippman non solo ha trovato queste mutazioni nel pomodoro e nei suoi parenti selvatici, ma ha anche determinato come funzionano all'interno delle piante, dice.
Una guida per i futuri pomodori
Il nuovo studio, una collaborazione con Michael Schatz della Johns Hopkins University e altri, ha identificato più di 200.000 mutazioni strutturali nei pomodori utilizzando una tecnica chiamata sequenziamento a lettura lunga. Lippman lo paragona a guardare attraverso una finestra panoramica ampie sezioni del genoma. In confronto, il sequenziamento più convenzionale offriva solo uno spioncino, dice.
La maggior parte delle mutazioni che hanno trovato non cambia i geni che codificano i tratti. Ma ciò che è chiaro, dice Lippman, è che molte di queste mutazioni alterano i meccanismi che controllano l'attività dei geni. Uno di questi geni, ad esempio, controlla la dimensione del frutto del pomodoro. Modificando la struttura del DNA - in questo caso, il numero di copie del gene - il team di Lippman è stato in grado di alterare la produzione di frutta. Le piante prive del gene non hanno mai prodotto frutti, mentre le piante con tre copie del gene hanno prodotto frutti circa il 30% più grandi di quelli con una sola copia.
Il team di Lippman ha anche dimostrato come la struttura del DNA può influenzare i tratti in un esempio che definisce "notevolmente complesso". Hanno dimostrato che erano necessarie quattro mutazioni strutturali insieme per riprodurre un importante tratto di raccolta nei pomodori moderni.
Questo tipo di informazioni potrebbe aiutare a spiegare la diversità dei tratti in altre colture e consentire agli allevatori di migliorare le varietà, afferma Lippman. Ad esempio, forse l'aggiunta di una copia extra del gene della dimensione a minuscole ciliegie macinate, un parente stretto del pomodoro, potrebbe aumentare il loro fascino ingrandendole, dice.
"Uno dei santi graal in agricoltura è poter dire:'Se muto questo gene, so quale sarà l'output'", dice. "Il campo sta compiendo passi importanti verso questo tipo di allevamento prevedibile."
Riferimento:"Major Impacts of Widespread Structural Variation on Gene Expression and Crop Improvement in Tomato" di Michael Alonge, Xingang Wang, Matthias Benoit, Sebastian Soyk, Lara Pereira, Lei Zhang, Hamsini Suresh, Srividya Ramakrishnan, Florian Maumus, Danielle Ciren, Yuval Levy, Tom Hai Harel, Gili Shalev-Schlosser, Ziva Amsellem, Hamid Razifard, Ana L. Caicedo, Denise M. Tieman, Harry Klee, Melanie Kirsche, Sergey Aganezov, T. Rhyker Ranallo-Benavidez, Zachary H. Lemmon, Jennifer Kim , Gina Robitaille, Melissa Kramer, Sara Goodwin, W. Richard McCombie, Samuel Hutton, Joyce Van Eck, Jesse Gillis, Yuval Eshed, Fritz J. Sedlazeck, Esther van der Knaap, Michael C. Schatz e Zachary B. Lippman, 17 giugno 2020, Cellulare .
DOI:10.1016/j.cell.2020.05.021
