Ranunculus flowers produce numerous carpels via evolutionarily rewiring of the canonical AGAMOUS-WUSCHEL developmental module

La maggior parte dei fiori è costruita con un ritmo preciso e ripetitivo. Inizia con un piccolo gruppo di cellule a forma di cupola all'estremità di uno stelo, noto come meristema floreale. Questo gruppo agisce come un cantiere edile, producendo le parti del fiore in un ordine specifico: prima le foglie protettive esterne, poi i petali colorati, seguiti dagli stami maschili e, infine, i carpelli femminili al centro esatto. Nella stragrande maggioranza delle piante con fiori, questo cantiere edile si chiude nel momento stesso in cui le parti femminili iniziano a formarsi. Il risultato è un fiore con molte parti maschili ma solo poche parti femminili, un modello che è rimasto invariato per milioni di anni. Gli scienziati hanno compreso da tempo che un particolare interruttore genetico, che coinvolge una proteina che mantiene attivo il cantiere e un'altra che dice di fermarsi, controlla questa tempistica. Quando arriva il segnale di stop, il sito si appiattisce e non possono essere aggiunte nuove parti.

Ma la natura occasionalmente infrange le regole. In alcune piante, il cantiere edile si rifiuta di chiudersi. Invece di fermarsi dopo poche parti femminili, continua a crescere, producendo decine o addirittura centinaia di carpelli. Ciò crea un fiore che appare come un cono denso e peloso piuttosto che un tipico bocciolo. Per molto tempo, i ricercatori non hanno saputo come queste piante riuscissero a mantenere aperti i loro cantieri edili mentre altre li chiudevano. Era un semplice errore nel codice genetico o c'era una riprogrammazione più complessa delle istruzioni? Uno studio sulla famiglia dei ranuncoli, focalizzato specificamente su una specie chiamata Ranunculus sceleratus, ha finalmente rivelato la risposta. I ricercatori hanno scoperto che questa pianta non si è limitata a rompere il segnale di stop; ha completamente riprogrammato la macchina genetica per trasformare il segnale di stop in un segnale di via, permettendo al fiore di produrre un numero straordinario di parti femminili.

I ricercatori hanno iniziato confrontando il comportamento cellulare di Ranunculus sceleratus, che produce oltre 150 carpelli, con un suo stretto parente, Nigella damascena, che ne produce solo circa cinque. Utilizzando una tecnica che permette di osservare le cellule vive che si dividono ed espandono in tempo reale, hanno osservato una differenza sorprendente. Nella pianta con pochi carpelli, le cellule all'estremità del fiore smettono di dividersi ed espandersi non appena compaiono le parti femminili, causando l'appiattimento e la chiusura del cantiere edile. Nella pianta con molti carpelli, le cellule continuano a dividersi ed espandersi vigorosamente anche dopo la formazione delle prime parti femminili. Questa attività sostenuta mantiene il cantiere edile a forma di cupola e spazioso, fornendo spazio per lo sviluppo di centinaia di nuovi carpelli. Lo studio ha dimostrato che le cellule nel fiore ad alto numero di carpelli non stavano solo dividendosi più spesso; stavano anche crescendo più grandi, creando una superficie molto più ampia per ospitare gli organi extra.

Per capire perché le cellule continuassero a crescere, il team ha esaminato i geni responsabili della gestione del cantiere edile. Nella maggior parte delle piante, un gene chiamato WUS agisce come il motore che mantiene attivo il sito, mentre un gene chiamato AG agisce come il freno, disattivando WUS quando le parti femminili sono pronte. Nella pianta con pochi carpelli, il freno funziona perfettamente: una volta che le parti femminili iniziano, il gene AG silenzia il gene WUS e la costruzione si ferma. Tuttavia, nella pianta con molti carpelli, i ricercatori hanno scoperto che la pianta possiede due copie del gene WUS invece di una, risultato di un antico evento di duplicazione. Ancora più importante, il modo in cui questi geni si comportavano era cambiato. Una copia del gene continuava a lavorare al centro del fiore, mantenendo aperto il sito. L'altra copia, tuttavia, aveva spostato la sua attività nelle parti maschili del fiore, gli stami.

La scoperta più sorprendente fu come il gene del freno, AG, interagisse con queste nuove copie del gene WUS. Nelle piante normali, AG sopprime WUS. Ma in questo ranuncolo, il gene AG in realtà attivava una delle copie di WUS. Invece di interrompere la costruzione del sito, la presenza delle parti maschili segnalava ora al sito di continuare. I ricercatori hanno rintracciato questo cambiamento nella sequenza di DNA appena prima dell'inizio del gene. Nell'antenato di queste piante, questa regione non possedeva un sito di legame specifico per la proteina AG. Ma nella linea evolutiva che ha portato all'alto numero di carpelli del ranuncolo, sono comparsi due nuovi siti di legame in questa regione. Questi nuovi siti hanno permesso alla proteina AG di agganciarsi al gene e attivarlo, anziché spegnerlo. Questa singola modifica nel manuale di istruzioni genetico ha ribaltato la relazione tra i due geni da un segnale di stop a un segnale di via.

Lo studio conferma che questa riprogrammazione è la chiave della forma unica del fiore. Quando i ricercatori hanno silenziato i geni AG nella pianta ad alto numero di carpelli, il fiore ha smesso di produrre così tanti carpelli ed è diventato più piccolo, somigliando ai suoi parenti a basso numero di carpelli. Quando hanno silenziato i geni WUS, il cantiere edile è crollato completamente e il fiore non si è sviluppato correttamente. L'evidenza suggerisce che l'evoluzione di questa pianta non ha richiesto una ristrutturazione completa del suo sistema genetico. Invece, una semplice duplicazione di un gene, seguita dall'aggiunta di due piccoli siti di legame nel suo DNA, è stata sufficiente per riprogrammare un ciclo fondamentale dello sviluppo. Ciò ha permesso al fiore di ignorare i consueti segnali temporali e continuare a costruire parti femminili molto tempo dopo che il resto della pianta avrebbe smesso.

Questa scoperta offre un esempio chiaro di come tratti complessi possano nascere da piccoli, specifici cambiamenti nel codice genetico. Dimostra che la diversità delle forme floreali che vediamo in natura non è solo una questione di mutazione casuale, ma spesso è il risultato di un preciso lavoro di ingegneria evolutiva sugli interruttori che controllano la crescita. Trasformando un segnale di stop in un segnale di via, questo ranuncolo è riuscito a creare una struttura floreale che è allo stesso tempo rara e altamente specializzata. La ricerca evidenzia che le regole che governano il modo in cui le piante costruiscono i loro corpi sono flessibili, e che poche lettere in più in una sequenza di DNA possono portare a una trasformazione drammatica nella forma finale di un essere vivente.