Asymmetric inter-kingdom gene transfer and a horizontal transposon invasion in a powdery mildew fungus
Questo studio rivela che il recente trasferimento orizzontale di DNA tra piante e funghi è raro e fortemente asimmetrico — coinvolgendo prevalentemente il flusso genico da funghi a piante e un'unica invasione di trasposoni da piante a funghi — eppure queste sequenze acquisite guidano successivamente una significativa diversificazione genomica attraverso meccanismi quali duplicazione, perdita e amplificazione di trasposoni.
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La vita sulla terra iniziò con una silenziosa partnership. Più di 450 milioni di anni fa, le prime piante che lasciarono l'acqua non lo fecero da sole; esse formarono alleanze intime con i funghi. Questi partner microscopici aiutarono i primi colonizzatori a sopravvivere alle condizioni aspre e secche del nuovo mondo, scambiando nutrienti in cambio di riparo in una relazione che è persistita da allora. Nel corso del tempo profondo, questi due regni hanno vissuto così vicini che il loro materiale genetico ha occasionalmente attraversato il confine tra loro. Questo processo, noto come trasferimento orizzontale, è come un prestito genetico in cui un organismo preleva un pezzo di DNA da un vicino piuttosto che ereditarlo da un genitore. Sebbene gli scienziati sapessero da tempo che ciò accade, hanno faticato a comprendere quanto spesso avvenga tra forme di vita complesse e multicellulari come piante e funghi, e cosa accada a quel DNA preso in prestito una volta arrivato.
Un team di ricercatori ha affrontato ora questa questione con uno sguardo nuovo, esaminando l'intero progetto genetico di centinaia di specie. Invece di affidarsi a mappe geniche preesistenti, che possono trascurare sequenze nuove o insolite, hanno confrontato il DNA grezzo di 418 diverse specie vegetali contro 1.081 specie fungine. Questa ricerca massiccia e priva di pregiudizi ha permesso loro di individuare casi recenti in cui il DNA è saltato da un regno all'altro. Hanno scoperto che, sebbene tali trasferimenti siano rari, non sono casuali. Il flusso di materiale genetico è fortemente sbilanciato: le piante hanno molta più probabilità di ricevere DNA dai funghi rispetto al contrario. Inoltre, i ricercatori hanno scoperto che una volta che questo DNA estraneo approda in un nuovo ospite, non rimane semplicemente lì. Può essere copiato, rimodellato, perso o persino esplodere in numero, a seconda della specifica famiglia di piante o funghi che lo ha ricevuto.
Lo studio ha rivelato che nelle graminacee note come Pooideae, che includono frumento e orzo, i funghi hanno donato diversi geni che le piante hanno mantenuto e modificato. Questi trasferimenti provenivano specificamente da un gruppo di funghi chiamato Epichloë, che vivono all'interno delle graminacee come endofiti innocui. I ricercatori hanno scoperto che le graminacee non si sono limitate ad accettare questi geni; li hanno duplicati. Alcuni di questi geni presi in prestito esistono ora in più copie all'interno di una singola pianta, e le copie hanno iniziato a comportarsi diversamente. Mentre una copia potrebbe rimanere attiva nelle radici, un'altra potrebbe essere silente, oppure potrebbero aver cambiato la loro struttura scambiando parti interne. Ciò suggerisce che le graminacee stiano sperimentando attivamente con questo materiale genetico estraneo, utilizzandolo come materia prima per evolvere nuovi tratti. Al contrario, nelle piante non vascolari come i muschi, la storia è diversa. Quando i muschi hanno acquisito geni fungini, tendevano a mantenerli come copie singole. Tuttavia, queste copie singole sono instabili; i ricercatori hanno scoperto che all'interno di diverse sottospecie della marchantria Marchantia polymorpha, alcuni individui hanno mantenuto il gene mentre altri lo hanno perso completamente, mostrando che il paesaggio genetico è ancora in mutamento.
La scoperta forse più sorprendente è stata un raro evento nella direzione opposta: un pezzo di DNA vegetale che salta in un fungo. I ricercatori hanno identificato un tipo specifico di elemento genetico mobile, un trasposone, che hanno chiamato elemento Gnawa. Questo elemento, che ha origine nelle piante, è stato trovato integrato nel genoma del fungo dell'oidio della pomodoro, un patogeno che attacca i pomodori. A differenza dei geni vegetali arrivati nei funghi e scomparsi, questo invasore fungino non si è limitato a sopravvivere; è prosperato. Dopo essere entrato nel fungo, l'elemento Gnawa si è risvegliato e ha iniziato a copiarlo aggressivamente. Si è moltiplicato fino a che non ci sono state 172 copie di una versione più piccola e derivata di se stesso sparse in tutto il genoma fungino. Questa massiccia espansione è avvenuta così di recente che le copie sono quasi identiche tra loro. I ricercatori hanno confermato che questo non era un errore nei loro dati o una contaminazione dal pomodoro stesso, ma un caso genuino di un trasposone vegetale che prende il controllo di un genoma fungino.
I risultati dipingono un quadro di uno scambio di informazioni genetiche dinamico, sebbene disomogeneo. Lo studio smentisce l'idea che questi trasferimenti siano eventi comuni e diffusi che accadono equamente tra tutte le piante e i funghi. Invece, essi appaiono come occorrenze rare e specifiche legate a strette relazioni ecologiche, come la simbiosi tra graminacee e i loro partner fungini interni. La ricerca chiarisce anche che il destino del DNA trasferito non è uniforme. In alcune linee, il DNA viene preservato e duplicato, offrendo potenzialmente nuove funzioni. In altre, è fragile e incline alla perdita. La scoperta del trasferimento di DNA vegetale-al-fungo dell'elemento Gnawa aggiunge un nuovo capitolo a questa storia, mostrando che il flusso di materiale genetico può muoversi in entrambe le direzioni e che, quando accade, può innescare cambiamenti rapidi e drammatici nel genoma del ricevente. Questo lavoro evidenzia che i confini tra i regni non sono così rigidi come si pensava un tempo, e che la storia della vita sulla terra è scritta non solo nei geni che ereditiamo, ma anche nei geni che prendiamo in prestito.
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