Evolution of an unstable sex determination system in white Guinea yam (Dioscorea rotundata)

Nel mondo vegetale, le regole della riproduzione sono sorprendentemente fluide. Mentre molti animali hanno sessi fissi determinati da cromosomi che non cambiano mai, le piante a fiore spesso mostrano un approccio più flessibile. Alcune specie sono strettamente maschio o femmina, mentre altre possono produrre entrambi i tipi di fiori sullo stesso individuo, o persino cambiare sesso di anno in anno. Questa variabilità, nota come espressione sessuale instabile, è un comune enigma per gli scienziati che cercano di capire come le piante decidano se far crescere fiori maschi o femmine. Per gli agricoltori, questa imprevedibilità rappresenta un ostacolo significativo. Nelle colture che sono vitali per nutrire il mondo, l'incapacità di controllare in modo affidabile il sesso rende difficile selezionare nuove varietà con rese migliori o resistenza alle malattie. Se una pianta non può essere costretta all'autopolinazione perché continua a cambiare sesso, i selezionatori non possono facilmente fissare i tratti desiderabili.

Un team di ricercatori ha ora scoperto il meccanismo alla base di questa instabilità nella igname bianco della Guinea, un tubero coltura che è un alimento base per milioni di persone nell'Africa occidentale e centrale. Mappando il codice genetico della pianta con un dettaglio senza precedenti, hanno scoperto che l'ignamo utilizza un particolare interruttore genetico che coinvolge una minuscola molecola chiamata microRNA per determinare il suo sesso. Questo interruttore non è un semplice pulsante on-off, ma un sistema che può essere influenzato da fattori ambientali, spiegando perché la stessa pianta possa essere femmina un anno e maschio l'anno successivo. La scoperta rivela un sistema di determinazione del sesso evolutosi recentemente, che è distinto da quelli presenti in altre specie di igname correlate, offrendo una nuova via verso la stabilizzazione di questa coltura cruciale per la futura sicurezza alimentare.

L'ignamo bianco della Guinea, scientificamente noto come Dioscorea rotundata, è una pianta dioica, il che significa che i singoli esemplari sono tipicamente o maschi o femmine. Questa separazione crea un importante collo di bottiglia per i programmi di selezione. A differenza delle colture che possono autoimpollinarsi, gli ignami richiedono una pianta maschio per fecondare una pianta femmina per produrre semi. Questo processo è lento ed inefficiente, rendendo difficile l'introduzione di nuovi miglioramenti genetici. Inoltre, i ricercatori hanno osservato da tempo che il sesso di questi ignami non è sempre stabile. Una pianta identificata come femmina potrebbe improvvisamente produrre fiori maschi, o una singola pianta potrebbe portare sia fiori maschi che femmine su rami diversi, una condizione chiamata monoecia. Questa variabilità ha reso difficile prevedere come una pianta si comporterà da una stagione di crescita all'altra.

Per risolvere questo mistero, i ricercatori si sono rivolti al genoma della pianta, l'insieme completo delle istruzioni genetiche trasportate nelle sue cellule. Si sono concentrati su una specifica coppia di cromosomi, noti come cromosomi Z e W, che sono responsabili della determinazione del sesso in questa specie. In questo sistema, le piante con due cromosomi Z sono sempre maschi, mentre quelle con un cromosoma Z e uno W possono essere femmine, maschi o monoiche. Il team ha generato una mappa ad alta risoluzione di questi cromosomi da una singola pianta di ignamo che esibiva sia fiori maschi che femmine. Ciò ha permesso loro di confrontare le due versioni del cromosoma fianco a fianco, cercando le specifiche differenze genetiche che potrebbero innescare lo switch tra i sessi.

La loro indagine ha rivelato una regione distinta sul cromosoma W che manca dal cromosoma Z. Quest'area, che comprende circa 170.000 lettere del codice genetico, contiene un gene unico che produce un microRNA. I microRNA sono piccole molecole che agiscono come regolatori, legandosi ad altri messaggi genetici e silenziandoli. Nell'ignamo bianco della Guinea, questo specifico microRNA, chiamato dro-miR432, si trova solo nelle piante che possiedono il cromosoma W. I ricercatori hanno scoperto che questa molecola bersaglia un gene chiamato PGL3, che è coinvolto nello sviluppo del polline. Quando il microRNA è presente, esso sopprime il gene PGL3, riducendo efficacementamente la produzione di fiori maschi. Quando il microRNA è assente o meno attivo, il gene PGL3 è libero di funzionare, permettendo lo sviluppo dei fiori maschi.

Lo studio fornisce una forte evidenza del fatto che la presenza di questo microRNA è la chiave dell'espressione sessuale instabile osservata in questi ignami. Nelle piante in cui il microRNA è pienamente attivo, la soppressione del gene dello sviluppo maschile porta a fiori femminili. Tuttavia, poiché il sistema si basa su una molecola regolatrice piuttosto che su un cambiamento strutturale permanente, il livello di soppressione può variare. I ricercatori hanno osservato che la quantità di questo microRNA fluttua, il che spiega perché una singola pianta possa produrre fiori femminili in un anno e fiori maschili in un altro. Hanno confermato questo meccanismo inserendo il gene del microRNA in un'altra pianta, la pianta del tabacco, dimostrando che esso silenzia con successo il gene bersaglio, proprio come avviene nell'ignamo.

Questa scoperta getta luce anche sulla storia evolutiva dell'ignamo. I ricercatori hanno confrontato i cromosomi sessuali dell'ignamo bianco della Guinea con quelli di altre due specie di ignamo, l'ignamo selvatico e l'ignamo d'acqua. Hanno scoperto che l'ignamo bianco della Guinea utilizza un insieme completamente diverso di geni e un tipo diverso di disposizione cromosomica per determinare il sesso. Mentre le altre specie si affidano a switch genetici differenti, l'ignamo bianco della Guinea ha evoluto questo sistema basato sul microRNA relativamente di recente. La regione genetica responsabile di questo sistema sembra essere stata ereditata dai suoi antenati selvatici, che possiedono la stessa variazione genetica. Ciò suggerisce che l'instabilità del sesso nell'ignamo coltivato non è un difetto, ma un residuo delle sue origini selvatiche, dove la flessibilità poteva rappresentare un vantaggio.

Le implicazioni di questa scoperta vanno oltre la scienza di base. Identificando lo specifico interruttore genetico che controlla il sesso, i selezionatori hanno ora uno strumento potenziale per stabilizzare la coltura. Se gli scienziati potessero imparare a controllare l'attività di questo microRNA, potrebbero creare varietà di ignamo che producono costantemente solo un tipo di fiore, o forse persino piante che producono regolarmente sia fiori maschi che femmine. Ciò permetterebbe agli agricoltori di autoimpollinare le loro colture, accelerando drasticamente il processo di selezione e consentendo lo sviluppo rapido di nuove varietà più produttive e resilienti. Per una coltura che nutre una grande parte della popolazione globale, comprendere e padroneggiare questo interruttore genetico potrebbe essere un passo trasformativo verso la garanzia della sicurezza alimentare negli anni a venire.