Genetica dei sessi alternati nelle noci

Scoperto un affascinante meccanismo genetico negli alberi di noce, che consente loro di alternare fiori maschili e femminili ogni stagione, una caratteristica stabile da 40 milioni di anni

Nonostante la capacità di molte piante ermafrodite di autofecondarsi, i costi genetici della consanguineità hanno ripetutamente guidato l’evoluzione delle strategie di outcrossing come la dioicità. La dioicità e altri discreti sistemi di tipo di accoppiamento sono mantenuti da un raro vantaggio di tipo di unione e sono spesso controllati da insiemi di alleli epistatici strettamente collegati (cioè supergeni).

La genetica dietro l'alternanza dei sessi degli alberi di noce è stata rivelata dai biologi dell'University of California, Davis. La ricerca, pubblicata su Science (1), rivela un meccanismo che è rimasto stabile nelle noci e nei loro antenati risalenti a 40 milioni di anni fa e che ha alcuni paralleli con la determinazione del sesso negli esseri umani e in altri animali.

Le piante da fiore hanno molti modi per evitare di impollinarsi. Alcune lo fanno strutturando i fiori per rendere difficile l'autoimpollinazione; alcune specie hanno piante “maschili” e “femminili” separate. Altri separano nel tempo i fiori maschili da quelli femminili. Gli alberi della famiglia che comprende noci, noci e noci pecan fanno un ulteriore passo avanti. Un albero di noce produce fiori di un sesso, poi dell'altro nella stessa stagione, ma gli alberi differiscono in quale dei due nasce prima. I singoli alberi sono costantemente “prima maschio” o “prima femmina” nella fioritura, qualcosa notato da Charles Darwin nel 1877. Negli anni '80 uno studente laureato alla UC Davis, Scott Gleeson, notò che questo fenotipo era controllato da un singolo locus genetico.

«Noci e noci pecan hanno un dimorfismo temporale in cui alternano la fioritura maschile e femminile durante la stagione», ha affermato Jeff Groh, studente laureato in biologia della popolazione presso l'UC Davis e primo autore dell'articolo. «È noto fin dal 1800, ma prima non era stato compreso a livello molecolare».

Ciò si verifica sia nelle noci domestiche che nei parenti selvatici, come il noce nero della California settentrionale. Nelle specie selvatiche, il rapporto tra alberi con primi maschi e primi con femmine è quasi 1:1.

Il dottor Jeff Groh e il suo consulente di dottorato, il professor Graham Coop (2) del Dipartimento di Evoluzione ed Ecologia, hanno utilizzato i dati del programma di allevamento del noce della UC Davis e hanno anche monitorato la fioritura degli alberi di noce nero autoctoni della California settentrionale che crescono intorno al campus della UC Davis. Assegnandoli a gruppi maschili o femminili, i ricercatori hanno sequenziato i loro genomi e identificato le sequenze associate al tratto.

Stesso meccanismo, geni diversi

Nelle noci, hanno trovato due varianti di un gene legato alla prima fioritura femminile o maschile. Questo polimorfismo del DNA appare in almeno nove specie di noce ed è stabile da quasi 40 milioni di anni.

«È piuttosto atipico mantenere la variazione per un periodo così lungo», ha detto Groh. In questo caso i due tipi di fioritura si bilanciano a vicenda. Se un tipo di fioritura diventa più comune nella popolazione rispetto all'altro, il tipo meno comune ottiene un vantaggio nell'accoppiamento, quindi diventa più comune. Ciò spinge il sistema a un equilibrio 50:50 e mantiene la variazione genetica.

Anche le noci pecan, ha scoperto Groh, hanno un polimorfismo genetico equilibrato che determina l'ordine di fioritura, ma in una parte diversa del genoma rispetto al noce. Il polimorfismo del pecan sembra essere più antico di quello del noce, con oltre 50 milioni di anni.

In che modo le noci e le noci pecan, che sono imparentate, sono arrivate allo stesso meccanismo di fioritura attraverso geni abbastanza diversi?

Potrebbe darsi che gli antenati delle noci e delle noci pecan convergano su soluzioni simili man mano che si evolvono. Ma è anche possibile che questo sistema di fioritura a intervalli temporali sia apparso ancora più tempo fa in questa famiglia, circa 70 milioni di anni fa, ma nel tempo gli esatti meccanismi genetici per ottenerlo sono cambiati.

Curiosamente, questo è simile al modo in cui funzionano i cromosomi sessuali degli animali, con due varianti strutturali (cromosomi X e Y negli esseri umani e in altri mammiferi) mantenute più o meno in equilibrio.

«Esiste un chiaro parallelo con una modalità comune di determinazione del sesso», ha concluso Groh.

Altri autori dell'articolo sono: Diane Vik, Matthew Davis, J. Grey Monroe, Kristian Stevens, Patrick Brown and Charles Langley, all at UC Davis. Il finanziamento è stato fornito da sovvenzioni dell'U.S. Department of Agriculture, National Institutes of Health, National Science Foundation, la Davis Botanical Society e l'American Society of Plant Taxonomists. Questo lavoro ha utilizzato alberi del UC Davis Putah Creek Riparian Reserve; Gene Cripe of Turlock, Calif.; USDA Wolfskill Experimental Orchard; Sonoma Botanical Garden and the UC Botanical Garden at Berkeley.

Riferimenti:

(1) Ancient structural variants control sex-specific flowering time morphs in walnuts and hickories

(2) Graham Coop

Descrizione foto: Jeffrey Groh, studente laureato alla UC Davis, ha scoperto come gli alberi di noce sono in grado di produrre fiori di sesso diverso in momenti diversi della stessa stagione. Il meccanismo genetico è simile alla determinazione del sesso in molti animali. Nella foto, Groh con un albero di noce nero della California nel campus della UC Davis. - Credit: Sasha Bakhter, College of Biological Sciences.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Genetics of Alternating Sexes in Walnuts