Utilising nuclear encoded plastid DNA to identify donors of grass-to-grass lateral gene transfer
Questo studio dimostra che il DNA plastidiale codificato dal nucleo (NUPT) può identificare efficacemente specifiche specie donatrici di trasferimento genico laterale da graminacea a graminacea, rivelando che *Eremochloa attenuata* ha co-trasferito in *Alloteropsis semialata* un frammento di DNA contenente sia un LGT precedentemente noto sia un NUPT di nuova identificazione.
Articolo originale sotto licenza CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Questa è una spiegazione generata dall'IA di un preprint non sottoposto a revisione paritaria. Non è un consiglio medico. Non prendere decisioni sulla salute basandoti su questo contenuto. Leggi il disclaimer completo
Nella vasta biblioteca della vita, il DNA viene solitamente trasmesso dai genitori alla prole, un'eredità verticale che costruisce l'albero dell'evoluzione ramo per ramo. Ma a volte, la natura infrange le regole. Il DNA può saltare lateralmente tra due specie diverse che non sono correlate da una discendenza diretta, un fenomeno noto come trasferimento genico laterale. Sebbene un tempo fosse considerato una rara stranezza limitata ai semplici microbi, gli scienziati sanno ora che accade frequentemente nelle piante, in particolare nelle graminacee. Quando una specie di graminacea acquisisce un grande frammento di DNA da una vicina, può acquisire nuovi tratti, ma capire esattamente quale vicina abbia donato il regalo è spesso un rompicapo. Il donatore potrebbe essere estinto, o il DNA potrebbe essere cambiato così tanto nel tempo da rendere la fonte originale irriconoscibile. Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno bisogno di un modo per tracciare la storia di questi geni trasferiti con alta precisione, cercando indizi che sopravvivano al passare del tempo.
Un team di scienziati ha affrontato recentemente questo problema cercando un tipo specifico di fossile genetico nascosto all'interno dei genomi nucleari delle graminacee. Si sono concentrati sulla graminacea Alloteropsis semialata, una specie nota per aver acquisito diversi grandi frammenti di DNA da altre graminacee. All'interno del nucleo di queste piante, hanno cercato il DNA nucleare di origine plastidica, o NUPT. Si tratta di pezzi di DNA del cloroplasto — il materiale genetico responsabile della fotosintesi — che si sono accidentalmente inseriti nel principale genoma nucleare nel corso di milioni di anni. Poiché i genomi dei cloroplasti delle graminacee sono altamente conservati e sono stati sequenziati per migliaia di specie, essi offrono una mappa massiccia e dettagliata che i geni nucleari spesso mancano. I ricercatori hanno ipotizzato che se una pianta avesse acquisito un grande frammento di DNA da un donatore, avrebbe potuto acquisire anche un NUPT che si trovava all'interno del genoma di quel donatore al momento del trasferimento. Trovando questi NUPT e tracciando la loro storia evolutiva, avrebbero potuto individuare la specie donatrice con molta più precisione rispetto al solo esame dei geni trasferiti.
Il team ha iniziato scansionando i genomi di quattro diverse accessioni di Alloteropsis semialata. Hanno confrontato il DNA nucleare di queste piante con un database di genomi di cloroplasti di centinaia di altre graminacee per trovare corrispondenze che non appartenessero alla pianta stessa. Hanno filtrato le corrispondenze deboli, mantenendo solo quelle lunghe e altamente simili ai cloroplasti stranieri. Questo processo ha rivelato un piccolo numero di candidati che apparivano come materiale genetico straniero che era stato integrato nel nucleo della pianta. Per confermare i loro sospetti, i ricercatori hanno ricostruito gli alberi genealogici per questi specifici frammenti di DNA. Hanno scoperto che in due delle accessioni della pianta, i NUPT non si trovavano dove dovrebbero essere se fossero stati ereditati verticalmente dagli antenati della pianta stessa. Invece, questi frammenti erano annidati profondamente all'interno dei rami evolutivi di altri gruppi di graminacee, suggerendo che fossero stati acquisiti lateralmente.
In un caso, i ricercatori hanno identificato un NUPT che si raggruppava strettamente con il genere Digitaria, un tipo di graminacea noto come capelvenere. In un altro caso, più complesso, il NUPT indicava il genere Eremochloa. Per restringere il campo sull'esatto donatore per questo secondo trasferimento, il team ha sequenziato i genomi dei cloroplasti di dodici specie aggiuntive di Eremochloa da campioni di erbario. Quando hanno aggiunto queste nuove sequenze alla loro analisi, l'evidenza è diventata schiacciante: il frammento di DNA straniero nella pianta di Alloteropsis era strettamente correlato a una specie specifica, Eremochloa attenuata. La corrispondenza genetica era così forte che i ricercatori hanno potuto collocare il donatore con alta fiducia, qualcosa che sarebbe stato difficile fare utilizzando solo i geni nucleari coinvolti nel trasferimento.
Lo studio è andato oltre per vedere se il NUPT e i geni vicini viaggiassero insieme. I ricercatori hanno esaminato la regione del genoma di Alloteropsis in cui si trova il NUPT e hanno notato che si trovava subito a valle di un evento di trasferimento genico laterale precedentemente identificato. Hanno mappato brevi letture di DNA del sospetto donatore, Eremochloa attenuata, su questa specifica regione del genoma di Alloteropsis. Le letture coprivano l'area in modo costante, estendendosi dai geni trasferiti e arrivando fino alla regione contenente il NUPT. Questo schema suggerisce che l'intero blocco di DNA, inclusi sia i geni funzionali che il frammento di cloroplasto, sia stato trasferito come un unico pezzo continuo dal donatore al ricevente.
Questo approccio evidenzia un nuovo e potente modo per tracciare la storia dello scambio genetico. Utilizzando i record abbondanti e ben preservati del DNA dei cloroplasti nascosti all'interno del nucleo, gli scienziati possono identificare i donatori degli eventi di trasferimento genico laterale con molta più precisione. I ricercatori hanno scoperto che questi trasferimenti possono coinvolgere frammenti di DNA grandi e complessi che includono sia geni che regioni non codificanti, e che lo stesso donatore può contribuire a molteplici eventi di trasferimento. Sebbene il metodo dipenda dalla presenza di questi specifici fossili genetici e possa non funzionare per ogni antico trasferimento, esso offre una via chiara per comprendere come le graminacee abbiano scambiato materiale genetico durante la loro storia evolutiva. La capacità di identificare l'esatta specie donatrice apre la porta alla comprensione dei meccanismi che permettono al DNA di saltare tra le specie e ai tratti che le graminacee acquisiscono da questi scambi.
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