Le piante sono sopravvissute all’asteroide che ha causato l’estinzione dei dinosauri duplicando i propri genomi.

Quando un asteroide grande quanto il Monte Everest colpì la Terra 66 milioni di anni fa, spazzò via tutti i dinosauri non aviani e circa un terzo della vita sul pianeta. Ma molte piante sopravvissero alla devastazione. In un nuovo studio pubblicato su Cell , i ricercatori rivelano che le duplicazioni accidentali del genoma, un fenomeno naturale, potrebbero aver aiutato molte piante da fiore a sopravvivere ad alcuni dei più estremi sconvolgimenti ambientali nella storia della Terra.

Questa strategia potrebbe aiutare le piante ad adattarsi ai rapidi cambiamenti climatici in atto.

Come i genomi extra conferiscono alle piante un vantaggio

“La duplicazione dell’intero genoma è spesso considerata un vicolo cieco evolutivo in ambienti stabili”, afferma l’autore Yves Van de Peer dell’Università di Gand, in Belgio. “Ma in situazioni difficili, può offrire vantaggi inaspettati.”

La maggior parte degli organismi possiede due serie di cromosomi, una ereditata da ciascun genitore. Tuttavia, nelle piante da fiore, molte specie presentano serie aggiuntive a causa di duplicazioni casuali dell’intero genoma. Ad esempio, la maggior parte delle banane coltivate ha tre serie di cromosomi, mentre le piante di grano possono averne fino a sei, una condizione nota come poliploidia.

La duplicazione dell’intero genoma si verifica con relativa frequenza nelle piante e può essere dispendiosa. Genomi più grandi richiedono più nutrienti per essere mantenuti, aumentano il rischio di acquisire mutazioni dannose e influiscono sulla fertilità. Per questi motivi, solo una piccola frazione dei genomi duplicati viene conservata e trasmessa di generazione in generazione in natura.

D’altro canto, le duplicazioni del genoma possono aumentare la variabilità genetica e i geni possono evolvere sviluppando nuove funzioni. Questi cambiamenti possono aiutare gli organismi a tollerare meglio stress come il calore o la siccità.

Collegare i genomi antichi alle crisi passate

Per capire perché alcuni genomi duplicati persistono, Van de Peer e il suo team hanno analizzato i genomi di 470 specie di piante da fiore, creando uno dei più grandi set di dati di questo tipo. Hanno cercato blocchi di geni che compaiono in coppie quasi identiche, un indicatore di eventi passati di duplicazione dell’intero genoma. Successivamente, hanno confrontato i dati con le informazioni provenienti da 44 fossili vegetali per stimare quando si sono verificate queste duplicazioni.

La loro analisi ha rivelato uno schema sorprendente. I ricercatori hanno scoperto che i geni che persistono nel tempo tendono ad avere origine da duplicazioni dell’intero genoma avvenute durante periodi di grandi sconvolgimenti ambientali.

Tra questi figurano l’estinzione di massa innescata da un asteroide 66 milioni di anni fa, diversi periodi di raffreddamento globale in cui gli ecosistemi collassarono e il Massimo Termico del Paleocene-Eocene (PETM) circa 56 milioni di anni fa, un periodo di rapido riscaldamento globale.

I risultati contribuiscono a spiegare un annoso enigma: perché la poliploidia è comune, ma solo poche forme persistono nei genomi delle piante per milioni di anni?

Cosa significa questo per i futuri cambiamenti climatici

In queste condizioni estreme, le piante poliploidi potrebbero aver acquisito un vantaggio. Caratteristiche che normalmente sono svantaggiose, come il mantenimento di un genoma più grande e complesso, possono diventare benefiche, affermano i ricercatori.

Lo studio offre anche alcuni indizi su come le piante potrebbero reagire ai cambiamenti climatici odierni. Durante il PETM , le temperature globali sono aumentate di circa 5-9 °C (9-14 °F) in circa 100.000 anni, un cambiamento paragonabile al riscaldamento in corso oggi.

“Sebbene il clima attuale si stia riscaldando a un ritmo molto più rapido, ciò che osserviamo in passato suggerisce che la poliploidia potrebbe aiutare le piante ad affrontare queste condizioni di stress”.

Tutti i lignaggi delle angiosperme recano tracce di un’antica poliploidia

Il tasso complessivo di insediamento della duplicazione dell’intero genoma (WGD) è correlato negativamente con la ricchezza di specie nel tempo.

In condizioni stabili e ricche di specie, la diffusione della poliploidia è minore.

Gli organismi poliploidi si sviluppano principalmente durante periodi di grandi sconvolgimenti ambientali.

 

La poliploidia, o duplicazione dell’intero genoma (WGD), rappresenta sia una forza evolutiva significativa che un potenziale vicolo cieco evolutivo, in particolare tra le angiosperme. Nonostante la prevalenza di organismi poliploidi, i casi di poliploidia antica sono sorprendentemente rari, presentando un paradosso che rimane ancora poco compreso. In questo studio, abbiamo costruito un set di dati genomici completo di 470 specie di angiosperme e datato 132 eventi di WGD antica, distribuiti in modo non casuale, rivelando un raggruppamento attorno a periodi cruciali di sconvolgimenti ambientali ed estinzioni. In particolare, i nostri risultati evidenziano una forte correlazione tra le ondate di paleopoliploidizzazione e eventi significativi come la Disgregazione del Miocene Medio, la Transizione Eocene-Oligocene (EOT), il Massimo Termico Paleocene-Eocene (PETM), l’estinzione del Cretaceo-Paleogene (K-Pg) e diversi eventi anossici oceanici (OAE). Proponiamo che gli organismi poliploidi abbiano maggiori probabilità di sopravvivenza durante periodi di grande sconvolgimento ambientale, una conclusione con importanti implicazioni nel contesto dei cambiamenti climatici contemporanei e del rapido riscaldamento globale.

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