Genetica Vegetale 3n - Lezioni PDF

LEZ. 7 24/10/2023 Prof. Barchi MUTAZIONI E POLIPLOIDIA MUTAZIONI e TRASPOSONI Le mutazioni sono molto importanti dal punto di vista evoluzionistico perché sono responsabili degli adattamenti all’ambiente, e quindi dell’evoluzione. C’è una s...

LEZ. 7 24/10/2023 Prof. Barchi MUTAZIONI E POLIPLOIDIA MUTAZIONI e TRASPOSONI Le mutazioni sono molto importanti dal punto di vista evoluzionistico perché sono responsabili degli adattamenti all’ambiente, e quindi dell’evoluzione. C’è una stretta relazione tra una mutazione, l’evoluzione e la selezione perché una mutazione può indurre nuovi fenotipi che sono vantaggiosi dal punto di vista evoluzionistico, ma non solo, e che vengono quindi utilizzati per la selezione. Le mutazioni possono essere: - Spontanee: errori di appaiamento delle basi durante la replicazione del DNA, quindi possono dare o meno fenojpi diversi - Indone: avvengono a causa di agenj mutageni (sostanze chimiche, agenj fisici, ecc.) che causano sosjtuzioni, alterazioni, danneggiamento delle basi nucleojdiche Le mutazioni possono interessare: Cellule germinali: quindi l’effeno della mutazione si manifesterà nella generazione successiva Cellule somajche: l’effeno interessa il singolo individuo à In casi particolari un individuo può non essere geneticamente uniforme, questo viene chiamato chimera. CHIMERE e SPORTS Cenni di biologia cellulare vegetale: Le cellule meristematiche, ma non solo, sono costituite a livello della tunica da uno o due strati di cellule (L1 e L2), mentre il corpus è chiamato L3. 1. CHIMERE I tessuj di una pianta vengono prodou in straj disjnj ed alcune delle chimere più comuni sono il risultato di una mutazione che interessa uno di quesj straj, che sono: - L1 che forma l’epidermide - L2 che forma la corteccia, parte dei tessuj vascolari e della lamina fogliare - L3 che forma parte dei tessuj interni, come il midollo, ed anche la radice I tessuj riproduuvi delle piante (anche il polline) si originano dallo strato L2, quindi se la mutazione non ha luogo in questo strato, non sarà tramandata alla progenie per via sessuale, ma rimarrà, teoricamente, in quell’individuo. La chimera è una pianta che possiede tessuti genotipicamente diversi, ne esistono tre tipi principali, anche se è possibile che durante lo sviluppo della pianta si modifichino uno con l’altro: - Periclinale: la mutazione è presente in un solo strato, è stabile e rimane confinata a tuu i tessuj che si originano da quello specifico strato - Senoriale: le cellule mutate si trovano vicine a cellule normali, la mutazione è stabile e riguarda tuno un senore della pianta, in tuu i tessuj (indipendentemente dallo strato di origine) - Mericlinale: la mutazione è presente solo in un senore di un singolo strato, e non è stabile. 40 Esempio: Piante senza spine à è un tipo di chimera periclinale molto ricercato dai vivaisti perché l’epidermide (originata dallo strato L1) non produce spine, ad esempio il Rubus laciniatus Wild (le more senza spine). Gli strati dell’epidermide sono geneticamente senza spine, mentre gli strati interni contengono l’informazione per la produzione di spine. Ovviamente questa pianta dev’essere riprodotta agamicamente se vogliamo avere il tipo senza spine, perché il polline originato da L2 porterà l’informazione per la presenza di spine. 2. SPORTS Uno “sport” è una pianta risultato di un’improvvisa mutazione su una sua parte che causa caranerisjche completamente diverse rispeno alle altre parj normali. La pianta viene mantenuta anraverso propagazione asessuale dalla parte della pianta mutata. Esempi in piante da fruno: - more senza spine - pesche che non producono peluria, senza seme, oppure che cambiano il colore della polpa à Implicazioni di chimere e sports nel Plant Breeding [in piante da frutto à vegetativa e non via sessuale] Sono spesso limitate alle specie propagabili per via asessuale, a meno che la mutazione non interessi lo strato L2 (quindi la mutazione può essere mantenuta tramite riproduzione per via sessuata). Sono di utilità per caratteri qualitativi o a base monogenica (= controllati da un singolo gene) e non per caratteri quantitativi (quindi non possiamo modificare il tempo di maturazione, il peso, ecc.; altrimenti dovremmo avere mutazioni su molti geni) MUTAZIONI Le mutazioni possono essere divise in classi, dalla più fine alla più grande: A. Geniche o punjformi, che interessano le basi B. Cromosomiche, che interessano i cromosomi C. Genomiche, che riguardano il corredo genomico dell’individuo Mutazioni geniche Insorgono piuttosto raramente (questo perché è difficile trovare una singola mutazione in più individui) e quasi sempre in condizione recessiva, possono essere pleiotropici (= influenzano più caratteri) o modificare lo stesso carattere anche avvenendo il loci diversi. Inoltre interessano un solo allele per locus, quindi il destino della mutazione dipende dal sistema riproduttivo della specie: - nelle specie autogame l’autofecondazione porta rapidamente all’omozigosi, per cui le mutazioni che insorgono allo stato recessivo permangono nelle popolazioni solo se favorevoli, altrimenj vengono eliminate (selezione naturale); quindi se fosse negajva verrebbe eliminata dalla selezione naturale - nelle specie allogame la prevalente condizione di eterozigoj conseguente alla fecondazione incrociata permene alle mutazioni di durare per lungo tempo anche se sfavorevole; l’allele negajvo è nascosto dall’eterozigosi 41 Possono essere per sostituzioni di basi azotate, quindi Silenj, non altera l’amminoacido codificato Missenso, causa la codifica di un amminoacido diverso, quindi posso avere una differenza nella strunura della proteina che potrebbe causare un’alterazione della normale funzionalità. La proteina andrà quindi incontro a selezione naturale in base al suo effeno sull’organismo (vantaggioso, neutro o svantaggioso) Non senso, la mutazione causa la codifica di un cordone di stop, quindi la proteina sarà tronca, la gravità dell’effeno sull’organismo dipende dalla grandezza della parte non trascrina Le sostituzioni tra purine o tra pirimidine si chiamano transizioni e avvengono con maggiori probabilità (quasi il doppio rispetto alle trasversioni) perché è maggiore anche la probabilità di ottenere una mutazione silente, e quindi meno dannosa. Invece le sostituzioni tra una pirimidina e una purina, o viceversa, sono più rare perché potenzialmente più dannose, e si chiamano trasversioni, possono dare origine a proteine non funzionali. Oppure mutazioni per inserzioni e delezioni: - neutrali, se avvengono begli introni; - vantaggiose o svantaggiose, se avvengono negli esoni = vanno in selezione naturale. Possono cambiare la cornice di lenura, e quindi codificare aminoacidi diversi (per inserzione o delezione di un numero di basi non muljplo di 3), oppure causare l’aggiunta/scomparsa di un amminoacido (lasciando la cornice di lenura invariata, quindi è potenzialmente meno dannosa). Piccoli indel < 50 basi TRASPOSONI Un particolare tipo di mutazione genica spontanea che comporta uno spostamento di alcuni tratti di DNA è la trasposizione. I trasposoni sono elementi genetici mobili, ovvero sequenze di DNA in grado di liberarsi, e reinserirsi, spostandosi autonomamente da un sito ad un altro nel genoma e portando con loro le sequenze che li fiancheggiano. Sono stati scoperti da B. McClintock nel mais negli anni ’40 e definiti “jumping genes”, poi sono stati individuati in tutti gli Eucarioti, e nelle piante costituiscono circa l’80% del genoma (41% nella vite, 85% nell’orzo). La reazione della comunità scientifica ai lavori di McClintock fu molto limitata perché non si conosceva neanche la struttura a doppia elica del DNA e, in più, era donna. Solo negli anni ’70 le furono rivalutati e apprezzati gli studi e riconosciuti i suoi meriti. La McClintock studiò le cariossidi di mais (mais viola, perché presenta antociani) aventi diversa distribuzione di colore a causa del trasposone che andava a silenziare i geni responsabili della produzione di un certo pigmento. Gli elementi trasponibili si dividono in due classi: - Retrotrasposoni: operano con un meccanismo “copia e incolla”, quindi quando si muovono causano l’aumento delle dimensioni del genoma. Sono divise in due famiglie i gypsy e i copia che sono molto simili, cambia solo l’ordine dei geni al loro interno - Trasposoni a DNA: operano con un meccanismo di “taglia e incolla”, sono divisi in due sonofamiglie: gli autonomi, dotaj della trasposasi, e i non-autonomi, che devono parassitare qualcun altro per potersi spostare 42 Esempio di mutazione dovuta all’inserzione di un trasposone a l: La McClintock ha osservato nel mais il sistema AC/DS (due elementi mobili). L’elemento Ac (Activator) si muove autonomamente ma è più raro, mentre Dc (Dissociation) è più frequente, ma non- autonomo e necessita della trasposasi di Ac (che riesce a riconoscere le sequenze ripetute terminali), quindi i due elementi non dovranno essere troppo distanti. Nel mais viola, il gene C è in grado di esprimere normalmente la produzione del pigmento. Nel mais giallo (ovvero senza pigmento), Ac ha attivato la trasposizione di Ds, che si è tagliato e casualmente posizionato sul gene C, quindi impedisce la produzione di pigmento. Nel mais puntinato, quello approfondito dalla McClintock, la trasposasi di Ac permette la trasposizione di Ds e in alcune cellule avviene la reversion della mutazione c (ovvero Ds esce da C), quindi viene riprodotto il pigmento. Esempi di mutazione dovuta all’inserzione di un retrotrasposone: 1. La mutazione da uva nera a uva bianca, il cui genoma è cosjtuito dal 40% circa da retrotrasposoni. Il primo scoperto è stato il GRET1 (Grape Retrotrasposon1) che si è inserito (non in un gene, non nel VvybA1, ma prima) nella regione di un fanore di trascrizione fondamentale nella regolazione della biosintesi delle antocianine, inauvandolo. 2. Il cambiamento di colorazione dell’arancia da gialla a rossa Il gene Ruby viene preceduto dall’elemento trasponibile Rider che a causa del suo LTR (che farà da promotore a Ruby) rende l’espressione del gene susceubile alle basse temperature dell’ambiente esterno. 43  3. Il cambiamento di forma del pomodoro, da tonda ad ovale La forma ovale del pomodoro è data dal fano che c’è una retrotrasposizione di un Rider, questo causa la trascrizione del retrotrasposone e anche di tuno ciò che c’è a valle, ma anche, per un meccanismo di template switch, tuu gli altri geni della zona, tra cui SUN. Per cui alcuni geni sono andaj ad integrarsi in un nuovo gene DEFL1 che è espresso nei fruu in maturazione, permenendo l’espressione di SUN, quindi di cambiare la forma del fruno. Per concludere, i retrotrasposoni sono: Ubiquitari nelle piante Sono staj clonaj in mono e dicojledoni (Arabidopsis, tabacco, patata, pisello, orzo) Presenj in alto numero di copie (nel riso1000; nell’orzo14000) localizzaj principalmente in zone eterocromajniche (non codificanj) perché così evitano la selezione naturale, dato che non vengono trascriu. Il Genome-browse permene di vedere il genoma di qualsiasi specie e la sua annotazione, ovvero la posizione dei geni. In quello del pomodoro nel cromosoma 1, a circa 12 milioni di basi, sono presenj 2 geni, ma anche diversi trasposoni che si concentrano dove non ci sono i geni o porzioni codificanj. Ujli per indagini filogenejche e forniscono informazioni sull’evoluzione del genoma Influenzaj da stress ambientale, perché genera nuova variabilità potenzialmente vantaggioso per l’adanamento ambientale à in condizione di stress il movimento dei trasposoni può creare mutazioni vantaggiose nell’adanamento Mutazioni cromosomiche, genomiche e poliploidia Le mutazioni cromosomiche sono un livello superiore di modificazione rispetto alle mutazioni puntiformi. Esse interessano la struttura di un singolo cromosoma, includendo perciò anche molti geni. Queste mutazioni sono spesso alla base di cambiamenti evolutivi che hanno portato alla differenziazione dei genomi e alla speciazione, cioè alla formazione di nuove specie. Le quattro categorie di mutazioni cromosomiche sono: duplicazioni, delezioni, inversioni e traslocazioni: 1) Duplicazione: un trano nel genoma viene ripetuto nella sequenza dei geni. 2) Delezione: perdita di un trano genico del cromosoma. 3) Inversione: ronura di un trano nel cromosoma e il suo reinserimento inverjto. 4) Traslocazione: avviene uno scambio di trau genici fra due cromosomi. Può essere reciproca se entrambi si scambiano materiale o non reciproca se solo uno riceve il trano. Esse non riguardano una base, ma pezzi di cromosoma. à possono causare la manifestazione di mutazioni recessive 44 Un evento di breeding, cioè di miglioramento delle piante, come può accadere nel riso IR64 (più coltivato al mondo) è un evento che normalmente porta a numerose modificazioni e riarrangiamenti genomici. Molti progetti di ricerca con il sequenziamento permettono di identificare variazioni cromosomiche alla base di cambiamenti fenotipici interessanti. Mutazioni genomiche Le mutazioni genomiche permettono di ragionare in termini di numero di cromosomi. Il corredo cromosomico di un individuo è indicato con 2n, se mi riferisco alla cellula somatica ed n, se mi riferisco ai gameti. x sta ad indicare gli assetti cromosomici (n° di cromosomi). Il numero che moltiplica x indica quante volte vengono ripetuti i cromosomi. Se prendo in considerazione un uomo, in una cellula somatica (2n cioè diploide) ho 46 cromosomi; i gameti, invece, possiedono un numero dimezzato cioè 23 (n aploide). Visto che i cromosomi si presentano come solo due copie, nell’uomo l’assetto cromosomico sarà rispettivamente 2x e x. Le piante possono possedere molte copie dei cromosomi. È molto frequente il fenomeno della poliploidia. La patata, per esempio, è tetraploide (4x), le sue cellule somatiche (2n) possiedono 48 cromosomi, mentre i gameti (n) ne possiedono 24 (solo due copie, 2x). 2n=4x=48 e n=2x=24 à caso patata. Di norma n=x nei gameti aploidi e 2n =2x nelle cellule somatiche diploidi. Fenomeno della euploidia. Indipendentemente dal numero di assetti cromosomici, tutti i cromosomi sono presenti in ugual numero, cioè i corredi cromosomici sono completi, non manca nessun cromosoma nelle coppie, triplette etc. Fenomeno della aneuploidia L’aneuploidia è una situazione in cui il corredo cromosomico è irregolare nei vari assetti. Si verifica una perdita o guadagno di uno o più cromosomi. Un individuo monosomico ha mancanza di una copia del cromosoma, doppio monosomico vuol dire che mancano due copie di due cromosomi diversi. Nei nullisomici mancano tutte le copie di quel cromosoma. Nel doppio monosomico e nel nullisomico il numero di cromosomi è lo stesso, tuttavia l’assetto genetico è differente in quanto nel nullisomico manca completamente una stessa coppia di cromosomi mentre nel doppio monosomico i due cromosomi mancanti sono diversi. 45 Esistono, invece, casi in cui ci sono più copie di un cromosoma rispetto agli altri. Si dicono trisomici se un cromosoma possiede una copia in più di altri, doppi trisomici se ci sono due copie in più di due cromosomi diversi e i tetrasomici se le due copie guadagnate appartengono allo stesso cromosoma. Aploidia Caso particolare di mutazione genomiche se presente in cellule somatiche umane. Nelle piante è una condizione normale, è infatti possibile la comparsa di individui aploidi come i gameti, le spore e i gametofiti. Questi hanno delle dimensioni ridotte ed esprimono gli alleli recessivi (condizione di emizigosi), perché non esiste la condizione di eterozigosi. Negli individui aploidi 2n=x, i gameti non vengono prodotti. Come si ottengono gli individui aploidi? Si possono utilizzare sostanze chimiche, radiazioni ionizzanti o trattamenti in vitro con colture di antere e microspore. Si mettono su un substrato i granuli pollinici (si effettuano quindi colture di antere), da cui si può avere uno sviluppo embrionale diretto, o si può passare tramite callo per l’ottenimento di una piantina aploide. Le piante aploidi sono sterili perché non producono gameti vitali in quanto manca un cromosoma. Per ottenere dei gameti da una pianta aploide posso usare la tecnica del raddoppiamento cromosomico attraverso un alcaloide come la colchicina che impedisce la formazione del fuso mitotico. à quando gli apici meristematici vanno in divisione non c’è fuso mitotico, quindi diventano diploidi. Ottengo così cellule diploidi che portano alla formazione di un organismo aplodiploide omozigote a tutti i loci. Il vantaggio è che abbiamo ottenuto delle linee pure. Da una pianta poco vigorosa ed impossibile da propagare se non per via vegetativa si ottiene una pianta fertile diploide. Poliploidia Se un organismo presenta più di due assetti cromosomici nelle sue cellule somatiche si parla di poliploidia. È il principale meccanismo di adattamento e speciazione per le piante. Si pensa che il 70 % delle angiosperme sia poliploide e che più del 90% sia andata incontro a fenomeni di poliploidizzazione. I poliploidi possono essere di ordine dispari (copie dispari) e di ordine pari (copie pari). I poliploidi si originano in seguito all’unione di gameti non ridotti (n=2x) di prima generazione (autopoliploidia = più copie dello stesso genoma si incrociano) o all’unione fra specie differenti di seconda generazione (allopoliploidia = genomi di specie diverse si incrociano). 46 LEZ. 8 25/10/2023 Prof. Barchi Poliploidia I poliploidi possono formarsi in prima generazione in seguito all’unione di gameti non ridotti o in seconda generazione, dopo che l’incrocio tra specie differenti è già avvenuto, a seguito dell’insorgenza di problemi in meiosi nell’ibrido interspecifico. Due individui sono di specie differente se non danno origine a specie fertili. Autopoliploidia: poliploidia che si instaura all’interno della stessa specie. Si originano anraverso il raddoppiamento di uno stesso genoma o la fusione di gamej non ridou. Tuu gli asseu cromosomici derivano dallo stesso asseno originario Allopoliploidia: poliploidia che si instaura in ibridi tra specie diverse. Si originano in seguito a processi di ibridazione interspecifica e susseguente raddoppiamento dei cromosomi. I poliploidi possono derivare da autotetraploidi che derivano da un raddoppiamento del proprio genoma, quindi sono genomi della stessa specie. Gli allopoliploidi sono poliploidi che si originano a seguito di ibridazioni tra specie diverse, in pratica il concetto di specie è che tendenzialmente degli individui fanno parte della stessa specie non solo se si possono incrociare ma se tendenzialmente vi danno una progenie fertile. Quando si ha un ibrido tra diverse specie spesso le progenie sono sterili ma può capitare che un ibrido abbia un raddoppiamento cromosomico, diventi fertile e quindi è un allopoliploide. Quindi un allopoliploide è un individuo che si è originato dall’ibridazione di due specie e che quell’individuo ha avuto un raddoppiamento cromosomico che gli ha permesso di restare fertile ed è proprio la poliploidia che gli permette di vivere. La patata è un esempio di autotetraploide : 4x. I frumenti sono tetraploidi o esaploidi e hanno 7 cromosomi di base. La fragola in genere ottoploidi : 8x La scala temporale è da considerare in milioni di anni fa. Le caselle in rosso rappresentano casi di diploidizzazione e le blu di triploidizzazione (triplicazione del genoma, in termini di copie). Ad esempio, i progenitori di Arabidopsis hanno avuto due eventi di duplicazione successivi. Le piante hanno avuto molti più eventi di duplicazione triplicazione rispetto agli animali. Le duplicazioni o triplicazioni genomiche avvengono perché le piante reagiscono a condizioni ambientali stressanti (estinzioni dinosauri, cambiamenti climatici importanti) grazie alla produzione di gameti non ridotti che generano poliploidi. 48 La scala in alto (25, 50, 75, 100, 125, 150) ci fa capire che l’evento di poliploidia delle varie specie è avvenuto in milioni di anni. La poliploidizzazione non riguarda una sola pianta in un determinato momento (mantenendosi tale) ma riguarda molti individui in momenti diversi. Perché le piante poliploidizzano? Poliploidizzare significa duplicare o triplicare il proprio corredo cromosomico: è un modo con cui le piante rispondono a delle condizioni negative (stress o fluttuazioni ambientali). Come i retrotrasposoni si muovono in condizioni di stress per cercare di creare nuova variabilità, le poliploidizzazioni vengono favorite da condizioni negative, ambienti stressanti oppure avvengono per errore. Perciò la poliploidizzazione può portare a dei vantaggi ed è fondamentalmente un evento casuale che a volte ha come conseguenza il permettere alle piante di adattarsi a condizioni di stress o a condizioni ambientali diverse. Quando si ha la formazione di poliploidi, normalmente in una specie di diploide si ha un gene con due alleli; nel momento in cui c’è una tetraploidia si hanno due geni e quattro alleli perché si hanno quattro cromosomi omologhi, i gameti produrranno gameti diploide in cui si hanno due copie dello stesso gene. Se si ha una esaploidia si avranno tre copie degli stessi cromosomi e si avranno sei possibili alleli diversi (in una cellula somatica corrispondono a sei copie). Cosa succede quando una pianta va in poliploidia? La pianta va in poliploidia, la quale dà copie aggiuntive di un gene. Questo che cosa permette? Quando si ha la poliploidizzazione si ha un raddoppiamento ossia più copie dello stesso gene, due alleli in più. Gli organismi tendono a ritornare in uno stato diploide e ciò viene fatto in molto tempo. Che cosa succede? Nel momento in cui la pianta tende a riandare in diploidizzazione comincia a perdere cromosomi aggiuntivi cioè una parte dei cromosomi che ha per tornare ad uno stato diploide; tale perdita viene definita gene loss quindi butta fuori geni, elimina parti di cromosoma col tempo per tornare ad uno stato diploide. In parallelo, il fatto di avere una copia in più di un gene con i suoi due alleli fa sì che nel corso del tempo uno cambi tutto il bilanciamento, il dosaggio genico, soprattutto quando comincia ad esserci una perdita di materiale genetico per tornare in diploidizzazione. Questo permette nel tempo, nei migliaia, migliaia e anche milioni di anni di far sì che il gene A, con i suoi due alleli, si è duplicato ottenendo una copia del gene A e un'altra copia del gene A che teoricamente inizialmente fanno la stessa cosa (è lo stesso gene ma ci sono due copie). In realtà si può avere il fenomeno di neofunzionalizzazione che permette di adattarsi: uno dei due geni assume una funzione diversa, fa qualcosa di diverso; con mutazioni acquista una nuova funzione. Immaginiamo di avere due geni: uno che continua a fare la sua funzione originaria e l'altra coppia che, col passare del tempo, si modifica e fa qualcos'altro. Questo fare qualcos'altro può dare un vantaggio selettivo oppure anche su funzionalizzazione cui tendenzialmente muta ma svolge più o meno la stessa funzione. Tutto ciò serve ad aumentare la diversità e ad aumentare la complessità cioè a adattarsi ad un ambiente o meglio adattarsi alle condizioni che cambiano. Ciò richiede molto tempo: Arabidopsis, ad esempio, ha fatto due eventi di diploidizzazione e il pomodoro e tutte le solanace sono andate incontro triesaploidizzazione circa 55 milioni di anni fa. Sub-funzionalizzazione à cioè si eredita una sola funzione delle tante del gene ancestrale. 49 Vengono qui raffigurati 12 cromosomi, circles. Ogni track sta a indicare qualche cosa: ad esempio, il track C dice la densità dei repeats per ogni cromosoma (della melanzana); in blu il track rappresenta la densità genica cioè dove ci sono i geni. I geni, nelle specie vegetali, tendono a essere agli estremi; in mezzo ce ne sono pochi, come gli LTR, in quanto è la zona in cui è presente il vecchio DNA spazzatura, i retrotrasposoni e sono presenti zone eterotromatiche, il centromero,... Poiché i retrotrasposoni sono mutageni, se un retrotrasposone si inserisce in un gene, lo rompe e lo muta facendogli perdere funzione, quell’individuo va in selezione naturale. Se il retrotrasposone si è inserito all’interno di un esone, l’individuo è sottoposto a selezione naturale. Se viene rotto un gene importante quell’individuo muore e quindi tale retrotrasposone si è perso perché era negativo. Ci sono dei software chiamati genome browser che fanno vedere i geni, gli esoni lungo tutti i cromosomi, la posizione degli elementi mobili (si trovano negli introni, fuori dai geni e nelle zone non codificanti). Attualmente le solanacee pomodoro, peperone e melanzana sono diploidi. I progenitori erano esaploidi. Evidentemente c’è stato un processo di evoluzione del genoma che li ha riportati ad essere diploidi. Esistono ancora dei segni di queste triplicazioni. Qui vediamo il genoma della melanzana, le linee interne collegano tra loro i geni onologhi (Geni ortologhi = gli stessi in specie diverse; Geni paraloghi = gli stessi nella stessa specie, più copie del gene; Geni onologhi = copie di geni che derivano da duplicazioni del genoma). Siccome la melanzana ha subito una triplicazione del genoma nel corso della sua storia, ci si aspetterebbe di vedere tre copie dello stesso gene, in realtà per il fenomeno di frazionizzazione queste copie sono andate perse anche se sono presenti ancora delle tracce tra i geni onologhi che conservano sequenze molto simili tra loro. I geni tendono possono duplicarsi naturalmente quindi il gene A, si forma una copia al gene A1 e A2. Tra di loro, dentro la stessa specie, sono paraloghi ma il gene A in pomodoro e in melanzana sono ortologhi. Una classe particolare di paraloghi sono gli onologhi dove un gene ha altri due paraloghi. Questi sono i residui della esaploidizzazione avuta dalla melanzana. Quando un esaploide o un poliploide comincia ad eliminare parti di genoma per tornare in diploidia, facendo la cosiddetta selezione purificante, capita che una parte di questi geni duplicati rimanga e quindi che una specie mantenga tre/due copie del proprio genere. Origine dei Poliploidi. L’origine dei poliploidi potrebbe essere dovuta a problemi di meiosi. Pensiamo alla situazione che si può creare in laboratorio con la colchicina bloccando la formazione del fuso mitotico e destabilizzando i microtubuli, in tal modo non avverrà la segregazione dei cromatidi fratelli in anafase. In passato si riteneva che la poliploidizzazione fosse dovuta in prevalenza a un problema a livello mitotico. Poiché ogni apice è totipotente, si può avere la poliploidizzazione e perciò a livello mitotico non si ha la divisione. Dalla divisione cellulare si otterrà una sola cellula tetraploide e tutto ciò che si originerà da questa, sarà tetraploide. Quello che si formerà da questa cellula, compresi i gemeti, se si è in zona meristematica, sarà diploide. Quindi i gameti sono diploidi se si uniscono a gameti diploidi: tetraploidia. Il problema è che si pensava che la poliploidizzazione avvenisse prevalentemente per questo motivo. In mitosi un settore diventa tetraploide; quando produce polline e cellule uovo da cellule tetraploidi si ottengono cellule diploidi. In realtà i poliploidi si originano nella maggioranza dei casi a causa di meiosi meiosi in quanto non ottengo quattro cellule n ma due 2n (in una delle due fasi). 50  In condizioni normali in meiosi i cromosomi omologhi si appaiano, avviene la prima divisione meiotica detta riduzionale in cui sono già presenti delle cellule aploidi (anche se sono presenti due cromatidi, sono ugualmente cellule aploidi: sono presenti un cromosoma, in quanto presente il centromero, di mamma con due cromatidi ma non è presente il cromosoma di papà; è solo presente un cromosoma di origine materna) e la seconda divisione meiotica con la formazione di 4 cellule aploidi. I meccanismi responsabili della formazione dei gameti non ridotti sono: 1. First division resjtujon (Resjtuzione in prima divisione, FDR) dove la cellula produce gamej e sostanzialmente la separazione dei cromosomi omologhi non avviene. Quindi la cellula raddoppia il numero di cromosomi e non avviene l’appaiamento dei cromosomi omologhi ma la cellula manjene tuu i cromosomi omologhi raddoppiaj nella stessa cellula. Nonostante ciò, avvengono i crossing-over. Tale meccanismo equivale a una mitosi per la produzione di gamej. Non avendo la separazione degli omologhi, inizia la seconda divisione meiojca che separa i cromosomi omologhi e i cromajdi e si onengono 2 gamej anziché 4 (2n). Si avrà (in ordine) il cromosoma 1 di mamma, il cromosoma 1 di papà, il cromosoma 2 di papà e il cromosoma 2 di mamma. Ciò comporta una diploidia dei gamej. I due gamej prodou sono idenjci ad esclusione dei punj in cui è avvenuto il crossing over. Questa è una meiosi che diventa una mitosi dove sono avvenuj dei crossing over. I gamej, dato che viene saltata la prima divisione meiojca, mantengono l’eterozigosi dei genitori. Se il cromosoma 1 materno al gene a porta un allele recessivo e il cromosoma 1 paterno porta un allele dominante A si onerrà in ogni gamete una situazione di eterozigosi. 2. Second division resjtujon (Resjtuzione in seconda divisione, SDR) dove avviene la prima divisione meiojca onenendo due cellule che hanno un cromosoma (cosjtuito da due cromajdi) con il centromero materno e l’altro con il centromero paterno (separaj) e viene saltata la seconda divisione meiojca. Quest’uljma, al posto di generare 4 individui ne genera 2, non avviene la separazione dei cromajdi. Si onengono 2 gamej diploidi diversi tra di loro (il primo porta due cromosomi 1 di origine paterna e il secondo due cromosomi 1 di origine materna e viceversa) e molto omozigoj. Durante la meiosi si verificano due divisioni, di cui la prima è riduzionale e la seconda è equazionale. 51  - Se avvengono errori nella FDR non si separano i cromosomi omologhi (sostanzialmente come prima divisione abbiamo fano una mitosi), non onengo due cellule aploidi ma una cellula idenjca alla madre, nella seconda meiosi avrò perciò due gamej diploidi, idenjci fra di loro ad eccezione dei sij di crossing over che mantengono l’eterozigosi parentale à i 2 gamej che oneniamo sono diploidi, uguali tra loro tranne che per il crossing over; mantengono l’eterozigosi originaria - Se l’errore è nella seconda divisione meiojca SDR ciò che oneniamo sono due gamej non ridou molto eterogenei tra loro che mantengono un grado più alto di omozigosi à 1ª meiosi funziona, ma da 2 cellule se ne onengono sempre 2 Origine ar@ficiale dei poliploidi. Può avvenire tramite colchicina, alcaloide che agisce inibendo la formazione dei microtubuli del fuso mitotico, con cui non si verifica la disgiunzione cromosomica e pertanto viene raddoppiato il numero cromosomico; serve per diploidizzare una pianta aploide: si prende una pianta diploide, si fa un trattamento con la colchicina sugli apici e da quel punto in avanti la pianta non sarà più diploide ma sarà tetraploide e quindi produrrà gameti diploidi. Oppure tramite propagazione vegetativa: instabilità cromosomica che si verifica durante la propagazione in vitro di tessuti vegetali (callo) e che può causare raddoppiamento del numero cromosomico; quando si prendono delle antere e si mettono in terreni di coltura o si rigenera una pianta direttamente oppure si passa da quello che si chiama callo (tessuto instabile dove le cellule indifferenziate si differenziano, totipotenti). I calli possono essere mantenuti per molto tempo; si possono cambiare gli ormoni e dal callo si forma la pianta. Il callo è un tessuto estremamente instabile, muta tantissimo e, data l’instabilità, si possono avere delle cellule che si raddoppiano diventando tetraploidi. Perché le piante poliploidi sono anche molto utilizzate? Più DNA si ha, più le cellule sono grandi. Quindi se si ha una cellula poliploide, per far stare tutto il materiale genetico devono essere più grandi: più la cellula è grande, più i tessuti sono grandi. TRIPLOIDIA L’esempio tipico della poliploidia di ordine dispari è la triploidia, che si origina dall’unione tra un gamete non ridotto (diploide 2n) e un gamete ridotto (aploide n). I vantaggi di avere un individuo triploide sono: Maggiori dimensioni cellulari; Maggiore vigoria della pianta, entro determinaj limij. Tuttavia, le piante triploidi sono caratterizzate anche da un’elevata sterilità. La triploidia e, in generale, tutte le poliploidie di ordine dispari, hanno la particolarità di originare gameti sbilanciati, aneuploidi, che portano a sterilità (quando si uniscono non si produce nulla). Il gamete aneuploide si forma perché, partendo ad esempio da un triploide, risulta impossibile dividere equamente i cromosomi tra i due gameti; nel primo gamete c’è una copia di cromosoma 1, due copie di cromosoma 2 e una di cromosoma 3; l’altro gamete avrà due copie del cromosoma 1, due copie del cromosoma 2 e due copie del cromosoma 3. 52 Perché i triploidi si coltivano se sono sterili? La sterilità è vantaggiosa nel momento in cui si vuole evitare la produzione del seme; le banane normalmente consumate sono triploidi, di solito: infatti, questi frutti presenterebbero dei semi anche di grandi dimensioni. Lo stesso capita, ad esempio, per le angurie senza semi. L’unica modalità per propagare delle specie triploidi è la via vegetativa: si fanno dei cloni di un’unica specie, nel caso delle banane la più diffusa è la cavendish. Questo tipo di riproduzione ha portato però ad un’elevata suscettibilità da parte delle cavendish ad un patogeno fungino che ne sta decimando le coltivazioni, per questo si stanno cercando delle varietà di banana più resistenti a questo patogeno. TETRAPLOIDIA Gli autotetraploidi sono individui che vanno incontro ad un raddoppiamento cromosomico. Gli autotetraploidi sono individui che hanno assetti cromosomici che derivano dalla stessa specie, mentre gli allotetraploidi derivano da specie diverse. Gli autotetraploidi derivano dall’unione di gameti non ridotti. Anch’essi hanno una ridotta fertilità (fanno seme ma non sono molto fertili) perché, come i triploidi, generano dei gameti sbilanciati. I quattro cromosomi omologhi si possono dividere tra i gameti nei seguenti modi: - Un cromosoma omologo in un gamete e tre nell’altro (un univalente + un trivalente) - Due omologhi da una parte e due dall’altra (due bivalenj) - Un quadrivalente Tra questi, vengono favoriti i gameti con i due bivalenti per stabilizzare questa poliploidia ma, in ogni caso, i tetraploidi tendono comunque ad essere sterili. Ci sono delle specie, ad esempio la patata, che fanno pochissimi frutti, questo a causa dell’autopoliploidia. Gli allotetraploidi, invece, sono fertili in quanto si originano dall’incrocio interspecifico di due specie diverse. Incrociando, ad esempio, le specie A e B entrambe costituite da un cromosoma 1, un cromosoma 2 e un cromosoma 3 otteniamo un individuo sterile. Questo avviene perché il cromosoma 1 della specie A non trova un omologo durante la meiosi in quanto è diverso dal cromosoma 1 della specie B, perciò questi, non essendo veri e propri cromosomi omologhi, non si potranno appaiare durante la meiosi. Lo stesso capita anche per i cromosomi 2 e 3. Può tuttavia capitare che, a seguito di un errore, si verifichi un raddoppiamento del numero cromosomico nelle cellule somatiche che daranno origine ai tessuti riproduttivi, oppure durante la produzione dei gameti. A seguito di tale raddoppiamento, la specie sterile avrà ora due cromosomi 1, 2 e 3 sia per la specie A che per la B. A questo punto, quando questa cellula diploide andrà incontro a meiosi, i cromosomi raddoppieranno e ci saranno gli omologhi che potranno appaiarsi tra loro. Si sarà generato così un individuo diploide fertile. Esempi di allopoliploidia 53 Nel mondo animale il più noto è quello dell’ibrido tra il cavallo e l’asino: - Incrociando una cavalla (giumenta) con un asino (stallone) onengo un mulo - incrociando un’asina (giumenta) con un cavallo (stallone) onengo il bardono Mulo e bardotto hanno stesso numero di cromosomi: 63, in quanto il cavallo ha 64 cromosomi mentre l’asino ne ha 62. In meiosi i cromosomi non si appaiano correttamente e genereranno dei gameti anormali, per questo queste specie sono sterili. L’allopoliploidizzazione è il meccanismo con cui si può superare la sterilità degli ibridi interspecifici; in cui cioè si hanno nuovamente tutti i cromosomi omologhi e la specie produce gameti funzionali. Nell’ambito vegetale ci sono molti esempi di poliploidizzazione naturale. Uno particolarmente noto è quello della filogenesi dei frumenti. I frumenti coltivati appartengono al genere Triticum e hanno come numero di cromosomi di base x = 7. In realtà esistono dei Triticum diploidi (monococcum, 2x = 14), tetraploidi (dicoccum, 4x = 28) ed esaploidi (aestivum, frumento tenero, 6x = 42). Originariamente, il frumento deriva dall’incrocio tra due specie diploidi che ha dato origine ad un ibrido interspecifico sterile che è successivamente andato incontro ad una poliploidizzazione generando un frumento tetraploide. Quest’ultimo presentava quindi 28 cromosomi e con il tempo si è incrociato con una specie diploide dando origine ad un triploide sterile che si è casualmente raddoppiato generando un esaploide. Più precisamente, nella filogenesi dei frumenti: 54  1. Il Tri0cum urartu (diploide AA) si è incrociato interspecificamente con Aegilops speltoides (diploide BB) a generare, a seguito di una poliploidizzazione, un Tri0cum turgidum (tetraploide AABB); 2. La domesjcazione del Tri0cum turgidum ha poi generato il Tri0cum dicoccum (o farro, comparso nella mezzaluna ferjle circa 9.000 anni fa); 3. Dal Tri0cum dicoccum si è poi selezionato il Tri0cum durum (o frumento duro), che è tetraploide (AABB) a causa della prima poliploidizzazione avvenuta a livello dell’incrocio interspecifico; 4. Il Tri0cum dicoccum si è poi incrociato con il Tri0cum tauschii (diploide DD) a generare un triploide che si è poi poliploidizzato originando il Tri0cum spelta (esaploide AABBDD); 5. Il Tri0cum spelta è stato poi selezionato in Tri0cum aes0vum (o frumento tenero) che ha corredo esaploide. Tuu gli incroci e le modificazioni presenj nella filogenesi dei frumenj sono avvenuj in maniera spontanea. Quando è avvenuto il passaggio dal Triticum dicoccum al Triticum durum, è intervenuto l’uomo selezionando il Triticum dicoccum alla ricerca di piante che presentassero delle glume (= strutture che avvolgono le cariossidi), sottili e più facilmente staccabili, tipiche del Triticum durum. Per quanto riguarda il Triticum spelta, invece, la selezione è avvenuta alla ricerca di farine più adatte alla panificazione, e questo processo ha portato all’ottenimento del Triticum aestivum. Un altro esempio di poliploidizzazione naturale risiede nella filogenesi delle Brassicacee, che sono: rapa, cavolo cinese, senape nera e broccolo. Dai loro incroci interspecifici si ottengono: 1. La senape bruna (AABB, tetraploide) dall’incrocio tra il cavolo cinese (AA) e senape nera (BB) 2. La senape ejopica (BBCC, tetraploide), dall’incrocio tra senape nera (BB)e broccoli (CC) 3. Colza (AACC, tetraploide), dall’incrocio tra cavolo cinese (AA) e broccolo (CC) 55 I VANTAGGI DELLA POLIPLOIDIA: § Giganjsmo: i poliploidi hanno dimensioni maggiori rispeno ai diploidi in quanto presentano dei cromosomi in più; § Combinazione di diversi genomi: vale sopranuno per gli allopoliploidi; Quando si uniscono due genomi diversi e tale individuo diventa ferjle con poliploidizzazione, si ha in un unico individuo due genomi diversi che danno una maggiore adanabilità in quando combinazione di due genomi. Inoltre, unire due genomi diversi o unire lo stesso genoma, dà più copie di uno stesso gene. § Dosaggi genici ed interazioni geniche: si ha il fenomeno di neofunzionalizzazione (o subfunzionalizzazione), per cui avere più copie di geni può far si che quesj si specializzino in determinate funzioni, consentendo una maggiore interazione tra i genomi che permenerà una maggiore adanabilità. Come esempio di interazione genica, possiamo considerare il Triticum aestivum (AABBDD, esaploide) che possiede una buona attitudine alla lievitazione la quale era, però, assente nei suoi progenitori. L’interazione dei genomi A e B della T. dicoccum con il genoma D della T. taushii (non adatti alla panificazione) ha portato a dei cambiamenti biochimici nelle proteine del seme di T. aestivum, rendendola adatta alla panificazione. Un esempio di dosaggio genico, invece, è il caso del cotone. Di cotone (tetraploide, AADD) esistono due specie allotetraploidi: la Gossypium hirsutum (America centrale) e la Gossypium barbadense (America latina). L’unione dei genomi A e D nel cotone ha fatto sì che esso presentasse delle determinate caratteristiche: - Il genoma A è responsabile della formazione di fibre qualitajvamente superiori ma ne produce meno; - Il genoma D dà delle fibre di minore qualità ma ne produce di più. L’unione dei due genomi ha fatto sì che le fibre prodotte fossero di più (dal genoma D) e di maggiore qualità (dal genoma A). A parte la poliploidizzazione naturale, esistono anche degli esempi di poliploidizzazione indotta dall’uomo. È il caso del triticale, nato nel nord Europa: si è cercato di unire la produzione del frumento con l’adattabilità al freddo della segale. 1. Si è preso il frumento duro tetraploide (AABB) e lo si è incrociato con la segale diploide (RR). Da questo incrocio si è onenuto un ibrido triploide sterile (ABR). Tale ibrido è stato tranato dall’uomo con la colchicina, in modo da onenere un trijcale esaploide (AABBRR). 2. Partendo, invece, dal frumento tenero esaploide (AABBDD) e incrociandolo con la segale onengo un tetraploide sterile che, a seguito di un tranamento con la colchicina, genera un trijcale onoploide (AABBDDRR). 56 In conclusione, le mutazioni genomiche danno una serie di effetti: EFFETTI FENOTIPICI: o Autopoliploidia: incremento del vigore e delle dimensioni delle parj vegetajve; o Allopoliploidia: combinazione delle caranerisjche morfo-fisiologiche delle specie da cui derivano oltre all’incremento del vigore e delle dimensioni (possono interagire tra loro e dare vantaggi seleuvi o caranerisjche migliori); o Aneuploidia: a cui manca uno o più cromosomi; possono essere monosomici e nullosomici (vitali solo nelle specie poliploidi dove il raddoppiamento dei cromosomi rimedia alla perdita di alcuni di essi), o trisomici (se vitali, hanno profondo effeno sulla morfologia). EFFETTI CITOLOGICI: o Aploidi à sterili (impossibilità di appaiamento degli omologhi in meiosi); o Triploidi à sterili (formazione di gamej sbilanciaj); o Autotetraploidi à sterili (formazione di muljvalenj in meiosi); o Allotetraploidi à ferjli (poliploidizzazione permene di superare la sterilità degli ibridi interspecifici); o Aneuploidia à sterili (formazione gamej sbilanciaj). EFFETTI FISIOLOGICI: o Aploidia: espressione di tuu i recessivi deleteri, per cui sono di piccole dimensioni e di modesto vigore; o Autopoliploidia: non hanno effeu o sbilanciamenj fisiologici; o Allopoliploidia: può portare alla perdita di espressione di alcuni geni o il cambio di funzione di geni inizialmente uguali; o Aneuploidia: provoca disturbi fisiologici costanj in quanto il numero di geni e cromosomi è sbilanciato. 57