Ancient sex compatibility genes underlie tissue differentiation in mushrooms
Questo studio rivela che i corpi fruttiferi dei funghi possiedono tessuti veri e propri regolati dal cooptamento di antichi geni per feromoni e recettori dell'accoppiamento, dimostrando come la selezione possa guidare l'evoluzione convergente della complessità multicellulare in organismi con architetture cellulari fondamentalmente differenti.
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
La vita complessa spesso si affida a un progetto. Negli animali e nelle piante, una singola cellula fecondata si divide e si organizza in una versione in miniatura dell'adulto, completa di organi distinti come cuori, foglie o radici. Questo processo, noto come embriogenesi, crea tessuti specializzati che svolgono compiti specifici. I funghi, tuttavia, costruiscono le loro strutture complesse in un modo completamente diverso. Invece di dividere le cellule per formare organi, essi fanno crescere lunghi tubi simili a filamenti chiamati ife che si diramano e si intrecciano tra loro. Per secoli, gli scienziati hanno dibattuto se questi tappeti intrecciati di filamenti, che formano i funghi, possiedano veri tessuti con funzioni specializzate, o se siano semplicemente aggregati sciolti di cellule simili. La questione è rimasta difficile da rispondere perché i filamenti sono microscopici e le strutture sono minuscole, rendendo difficile vedere come una parte di un fungo possa differire geneticamente da un'altra.
Un team di ricercatori ha ora mappato l'attività genetica di un fungo con un livello di dettaglio mai raggiunto prima, rivelando che queste strutture fungine possiedono effettivamente dei veri e propri tessuti. Studiando il comune cappello d'inchiostro, hanno scoperto che diverse regioni del corpo fruttifero attivano set unici di geni, creando zone funzionali distinte proprio come gli organi in un corpo umano. Ancora più sorprendente, il sistema genetico che controlla il modo in cui questi funghi trovano un compagno è stato scoperto essere lo stesso sistema che dirige la crescita dei loro tessuti. Ciò suggerisce che l'evoluzione abbia riutilizzato un antico segnale di accoppiamento per risolvere il complesso problema di costruire una struttura multicellulare a partire da semplici filamenti.
Per scoprire questi schemi nascosti, i ricercatori si sono rivolti a un fungo modello, il Coprinopsis cinerea. Hanno iniziato a far crescere il fungo in un ambiente controllato e ad attendere che formasse i suoi piccoli corpi fruttiferi in via di sviluppo. Utilizzando una tecnica chiamata microdissezione con cattura laser, hanno tagliato il fungo in sezioni estremamente sottili e hanno usato un laser per isolare specifiche, microscopiche regioni di tessuto. Hanno raccolto campioni da nove diversi tipi di tessuto, che vanno dalla pelle esterna protettiva al nucleo interno dove vengono prodotti gli spore, e dalle prime fasi di crescita fino al fungo quasi maturo. Poiché i campioni erano così piccoli, il team ha dovuto sviluppare metodi specializzati per estrarre e sequenziare l'RNA, che funge da registro di quali geni siano attivi in ogni specifico punto.
Le mappe genetiche risultanti hanno mostrato una chiara divisione del lavoro. I ricercatori hanno scoperto che gli strati esterni del fungo, che proteggono l'interno delicato, esprimevano geni legati alla difesa e alla resistenza all'acqua. Queste regioni producevano proteine che respingono l'acqua e difendono da insetti o altri funghi. Al contrario, i tessuti del nucleo interno, che formano il cappello, il gambo e le lamelle, erano impegnati con geni coinvolti nella crescita rapida, nella produzione di energia e nella divisione cellulare. Le lamelle, che producono le spore, mostravano una firma genetica unica focalizzata sulla riparazione del DNA e sulla replicazione. Questa chiara separazione dell'attività genetica ha confermato che le diverse parti del fungo non sono solo fisicamente distinte, ma sono funzionalmente specializzate, operando come veri tessuti con ruoli dedicati.
La scoperta più inaspettata è emersa quando i ricercatori hanno cercato i regolatori principali che controllano questa differenziazione. Hanno scoperto che i geni più attivi in tessuti specifici non erano quelli tipicamente associati allo sviluppo negli animali o nelle piante. Inve al, i regolatori chiave erano geni coinvolti nell'accoppiamento. Nei funghi, l'accoppiamento avviene solitamente prima che il corpo fruttifero si formi, quando due filamenti compatibili si fondono. Questo processo si basa su segnali chimici chiamati feromoni e recettori che permettono ai filamenti di riconoscere un partner. Lo studio ha rivelato che questi stessi geni dei feromoni e dei recettori, insieme agli enzimi che aiutano a processarli, vengono attivati in tessuti specifici durante la crescita del fungo.
Per dimostrare che questi geni stessero effettivamente guidando la formazione dei tessuti, i ricercatori hanno creato versioni mutanti del fungo in cui specifici geni dell'accoppiamento erano stati disabilitati. Quando hanno rimosso questi geni, i funghi non si sono sviluppati correttamente. Alcuni mutanti presentavano cappelli malformati o uniti tra loro, mentre altri non riuscivano a formare affatto le lamelle. In alcuni casi, i funghi hanno smesso di crescere in una fase molto precoce. Questi risultati hanno dimostato che il sistema di accoppiamento non era solo un residuo del passato, ma era attivamente richiesto per costruire il fungo. I ricercatori hanno concluso che l'evoluzione aveva cooptato questo antico sistema di comunicazione, che originariamente aiutava i filamenti a trovarsi, per aiutare ora i filamenti a organizzarsi in una struttura multicellulare complessa.
Lo studio ha anche esaminato come questi schemi genetici siano cambiati nel corso di milioni di anni. Confrontando i geni del fungo con quelli di altri funghi, il team ha scoperto che i geni responsabili della specializzazione dei tessuti sono antichi, risalenti a centinaia di milioni di anni fa. Tuttavia, il modo specifico in cui questi geni vengono utilizzati per costruire i tessuti appare come un'innovazione più recente. I ricercatori hanno osservato che, man mano che il fungo si sviluppa, l'attività genetica diventa più conservata, il che significa che le fasi successive si affidano a programmi genetici più antichi e stabili. Questo schema è diverso da quello osservato negli animali, dove le fasi iniziali sono spesso le più conservate. Nei funghi, l'ultimo tessuto a emergere, le lamelle, esprime il set di geni più antichi, riflettendo il loro ruolo di sito primario per la produzione di spore.
Questo lavoro fornisce la prima chiara spiegazione genetica di come i funghi costruiscano le loro forme complesse. Dimostra che, nonostante crescano da semplici filamenti, questi funghi raggiungono un livello di organizzazione paragonabile a quello di animali e piante. Le scoperte suggeriscono che la capacità di formare tessuti complessi non è limitata agli organismi che crescono per divisione cellulare, ma può sorgere anche in organismi che crescono per estensione di filamenti. Riutilizzando un antico sistema di accoppiamento per controllare lo sviluppo, i funghi hanno trovato una soluzione unica alla sfida di costruire un corpo multicellulare. Questa scoperta colma una lacuna nella nostra comprensione di come la vita complessa si evolva, mostrando che la natura può arrivare a soluzioni simili — tessuti specializzati e organi — attraverso percorsi genetici molto diversi.
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