In silico identification and structural characterization of ClAPRR2 and ClPSY1 as independent genetic targets for a white-rinded, orange-fleshed watermelon (Citrullus lanatus) accessible to colour-vision-deficient consumers

La maggior parte delle persone riconosce un anguria dal suo familiare contrasto: una buccia a strisce verde scuro che protegge un interno rosso brillante. Questa firma visiva è il risultato di due distinti processi biologici che avvengono simultaneamente. Nella buccia esterna, la pianta produce clorofilla, il pigmento verde che permette a foglie e steli di catturare la luce solare. All'interno del frutto, un percorso diverso crea il licopene, un pigmento rosso che appartente a una famiglia di composti chiamati carotenoidi. Per la stragrande maggioranza delle persone, questa combinazione di verde e rosso è sorprendente e facile da distinguere. Tuttavia, per i milioni di persone in tutto il mondo che presentano una carenza della visione dei colori rosso-verde, questi due colori spesso si fondono in un simile marrone fangoso o grigio, rendendo difficile distinguere un'anguria matura e dolce da una acerba solo guardandola.

La soluzione a questo problema non risiede nel cambiare il sapore o la consistenza del frutto, ma nell'alterarne i colori per creare un aspetto ad alto contrasto che faccia affidamento sulla luminosità piuttosto che sulla tonalità. Immaginate un'anguria con una buccia pallida, quasi bianca, e una polpa arancione intenso. La buccia bianca mancherebbe della clorofilla verde, mentre la polpa arancione sarebbe ricca di un diverso carotenoide chiamato beta-carotene. Questa combinazione di bianco e arancione offre una differenza netta di luminosità che è facilmente visibile a tutti, indipendentemente da come i loro occhi percepiscono il colore. Ottenere questo aspetto specifico richiede l'ingegneria genetica di precisione, prendendo di mira gli esatti geni che controllano la produzione di buccia verde e polpa rossa, e sostituendoli con versioni che producono buccia bianca e polpa arancione.

Un team di ricercatori si è messo in viaggio per identificare e comprendere gli specifici interruttori genetici che potrebbero rendere possibile questo nuovo tipo di anguria. Si sono concentrati su due geni noti per svolgere ruoli critici nello sviluppo dell'anguria: uno che controlla il colore della buccia e un altro che governa il colore della polpa. Il primo gene, noto come ClAPRR2, agisce come un regolatore principale per il pigmento verde nella buccia. Quando questo gene funziona normalmente, attiva il macchinario che costruisce la clorofilla, risultando in una buccia verde. Se questo gene è rotto o spento, la produzione di clorofilla si interrompe, lasciando la buccia bianca o molto pallida. Il secondo gene, ClPSY1, è un enzima che avvia la produzione di carotenoidi all'interno del frutto. Mentre la versione standard di questo gene aiuta a produrre il licopene rosso presente nella maggior parte delle angurie, una specifica variazione di esso può spostare l'equilibrio verso la produzione di beta-carotene arancione.

Per vedere come questi geni funzionano a livello molecolare, i ricercatori hanno utilizzato potenti strumenti informatici per costruire modelli tridimensionali delle proteine che questi geni creano. Poiché è difficile e richiede molto tempo determinare fisicamente la forma di ogni proteina in un laboratorio, gli scienziati spesso utilizzano un metodo chiamato modellazione per omologia. Questo processo prevede la ricerca di una proteina con una forma nota che sia simile a quella in fase di studio e l'uso di essa come modello per predire la struttura della proteina sconosciuta. Il team ha recuperato le mappe genetiche delle proteine dell'anguria da un database pubblico e le ha inserite in un sofisticato server di modellazione. Per la proteina che regola la buccia, hanno utilizzato un modello di una pianta di zucca strettamente correlata. Per l'enzima che colora la polpa, hanno utilizzato un modello di un batterio che svolge un compito chimico simile.

I modelli informatici risultanti hanno rivelato il funzionamento interno di queste proteine con una chiarezza impressionante. Il modello per la proteina della buccia ha mostrato una struttura a due parti tipica degli interruttori genetici. Un'estremità della proteina funge da ricevitore, in attesa di un segnale per attivarsi, mentre l'altra estremità è progettata per agganciarsi al DNA e attivare i geni responsabili della produzione di clorofilla. Questa struttura supporta l'ipotesi secondo cui una versione guasta di questo gene porti a una buccia bianca: senza un interruttore funzionale, le istruzioni per il pigmento verde non vengono mai inviate. Il modello per l'enzima della polpa ha mostato una tasca centrale dove avvengono le reazioni chimiche. Crucialmente, i ricercatori hanno scoperto che la specifica variazione genetica responsabile della polpa arancione si trova proprio accanto a questa tasca attiva. Questa posizione suggerisce che la variazione cambi il modo in cui l'enzima afferra le sue materie prime, alterando sottilmente l'output chimico da licopene rosso a beta-carotene arancione.

Forse il risultato più significativo dello studio è stato che questi due geni sembrano operare indipendentemente l'uno dall'altro. Sono situati su cromosomi diversi, il che significa che vengono rimescolati separatamente durante la riproduzione e non sembrano interferire con il lavoro l'uno dell'altro. Inoltre, funzionano in parti diverse del frutto: uno lavora nella buccia, l'altro nella polpa. Poiché sono separati e distinti, è teoricamente possibile combinare una versione guasta del gene della buccia con la versione del gene dell'enzima della polpa arancione in una singola pianta. Questa combinazione darebbe origine a un'anguria con buccia bianca e polpa arancione, una varietà visivamente accessibile alle persone con carenza della visione dei colori.

I ricercatori hanno sottolineato che, sebbene i loro modelli informatici forniscano una forte ipotesi strutturale, si tratta ancora di predizioni che richiedono test nel mondo reale. I modelli sono stati costruiti basandosi su modelli di altre specie, quindi le forme esatte potrebbero variare leggermente nella pianta di anguria reale. Inoltre, il controllo genetico del colore del frutto è complesso e altri geni possono influenzare la tonalità finale di arancione. Fondamentalmente, lo studio osserva che l'assenza di prove di interazione tra questi geni nella letteratura esistente non equivale alla prova sperimentale della loro indipendenza. Tuttavia, lo studio ha mappato con successo un percorso chiaro da seguire. Proponendo che questi due target siano strutturalmente solidi e funzionalmente indipendenti, i ricercatori hanno fornito una solida base per gli allevatori. Possono ora utilizzare questa conoscenza per sviluppare nuove varietà di anguria attraverso la selezione assistita da marcatori o l'editing genetico, creando un frutto che sia non solo delizioso, ma anche inclusivo per tutti i consumatori, in attesa di ulteriore conferma sperimentale.