La maggior parte dei tuoi fiori preferiti sono mutanti

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Se hai mai acquistato una rosa da un negozio, hai comprato un mutante. Nel corso della storia, le persone hanno incontrato, ammirato, e stato mistificato da fiori mutanti. Il filosofo greco Teofrasto descrisse i fiori doppi nelle rose oltre 2000 anni fa. Da allora, fiori doppi come rose, peonie, gerani, calendule e garnazioni sono diventati ricercati e apprezzati come piante da giardino.

fiore bianco
Una fioritura a fiore doppio. Foto di StacyK, da Flickr e Wikimedia Commons.

Ora sappiamo che tutti questi fiori (e molti altri) sono mutanti genetici. I petali extra che bramiamo sono in realtà organi sessuali mutati. Ci sono voluti migliaia di anni per passare dalle osservazioni di Teofrasto a una comprensione scientifica di come questi fiori diventassero così belli.

Alla fine del xviii secolo, lo scrittore e poeta tedesco Goethe riconobbe che i mutanti potevano essere usati per studiare come si sviluppavano i fiori. Goethe aveva sviluppato un interesse per la botanica mentre prestava servizio alla corte di Weimar, e più tardi mentre osservava diversi tipi di flora in Italia alla fine del 1780. Arrivò a credere che ci fosse una sola parte unificante di ogni pianta, la foglia, che egli stese nel suo documento seminale del 1790, ” La metamorfosi delle piante.”

Apri qualsiasi fiore e puoi vedere dove Goethe ha avuto questa idea. La maggior parte dei fiori contiene quattro cerchi concentrici e nidificati di organi, che chiamiamo spirali. È possibile identificare quale organo si sta guardando in base alla sua posizione all’interno di questo progetto. Dalla spirale esterna alla spirale interna gli organi sono: sepali (generalmente verdi e simili a foglie), petali (tipicamente vistosi e attraenti), stami (gli organi riproduttivi maschili e produttori di polline) e infine carpelli (gli organi riproduttivi femminili). I carpelli contengono uova e dopo la fecondazione crescono in frutti che circondano i semi.

anatomia del fiore
Le parti di un fiore. Laura Aškelovičiūtė

Basandosi sulle sue osservazioni sulle rose doppie, Goethe propose che le varie parti dei fiori fossero tutte equivalenti, il che spiegava perché gli organi erano così facilmente convertiti l’uno nell’altro. I biologi hanno avuto reazioni contrastanti alla teoria di Goethe. Mentre alcuni lo salutavano come il padre della morfologia, altri credevano che stesse cercando di piegare artificialmente la natura per conformarsi alle sue opinioni.

Ci sono voluti quasi 200 anni per verificare sperimentalmente le sue teorie sullo sviluppo degli organi floreali a livello genetico. Ma gli scienziati non hanno usato le rose per farlo. Si sono rivolti a una comune erba lungo la strada.

Nel 1873, Alexander Braun descrisse un mutante “a doppio fiore” nella pianta comune Arabidopsis, nota anche come crescione di thale. Dal 1980, gli scienziati si sono resi conto che la pianta era perfetta per lo studio genetico grazie al suo piccolo genoma, breve tempo di generazione, talento per mutare facilmente, e la capacità di prendere ed esprimere DNA estraneo.

Arabidopsis mutante con fenotipo “doppio fiore”. Foto di Daniel Ocampo da Flickr e Wikimedia Commons.

Grazie al lavoro fatto con Arabidopsis thaliana e Antirrhinum majus negli anni ‘ 80, abbiamo finalmente ottenuto una risposta alla domanda che Goethe aveva iniziato a porsi secoli prima: perché i fiori sembrano così? Ora sappiamo che quattro classi di geni si sovrappongono per formare i quattro diversi organi floreali. Le trasformazioni degli organi avvengono perché ogni identità di organo in un fiore è specificata dalla presenza di particolari combinazioni di proteine. Cambia le combinazioni, cambia gli organi creati.

La ricerca su Arabidopsis thaliana in un articolo seminale pubblicato nel 1991 ha approfondito la nostra comprensione di come si sviluppano i fiori normali e anormali. Il noto modello ABC è emerso da questo documento, segnando l’inizio di un campo di studio che collega la genetica e lo sviluppo nei fiori.

Quando i ricercatori hanno testato diverse versioni di mutazioni nei quattro geni, hanno trovato una serie spettacolare di cambiamenti fisici negli organi del fiore. In una mutazione, i sepali si svilupparono come carpelli o foglie e petali sviluppati come stami. Due versioni di mutazioni in un gene hanno causato lo sviluppo di petali come sepali e lo sviluppo di stami come carpelli. Altre due mutazioni in un terzo gene hanno causato lo sviluppo degli stami come petali e lo sviluppo di un fiore completamente nuovo al posto dei carpelli.

Sulla base dei dati raccolti dalle loro singole linee mutanti, gli autori hanno proposto un modello in cui i sepali erano formati solo da geni di classe A, petali da una sovrapposizione di geni A e B, stami da geni B e C e carpelli da soli C.

Gli organi dei fiori e le classi genetiche che li definiscono, adattati da (Bowman, 1991). Negli esempi mutanti doppi e tripli, la presenza di organi extra rappresenta la crescita di un fiore aggiuntivo fuori dal centro. Claire Meaders

Usando questo modello, hanno quindi predetto cosa avrebbero visto se avessero realizzato piante con mutazioni in più classi di geni. Hanno incrociato piante con diverse mutazioni insieme, generando quelle che vengono chiamate linee mutanti “doppie” o “triple”. Quelle linee mutanti hanno confermato che i geni funzionano attraverso le spirali. Senza geni B e C, solo i geni A sono espressi e tutte le spirali di un fiore si sviluppano come sepali. Senza geni A e C non ci sono geni di identità floreale nella spirale esterna, quindi ci sono solo foglie, senza petali. Avendo solo geni B porta allo sviluppo di petalo ibrido / stami nel secondo e terzo spirali L’assenza di geni C porta all’iniziazione di un altro fiore nel quarto spiraglio al posto del carpello. Sulla base dei loro risultati, gli autori hanno concluso che questi geni sono essenziali per l’identità degli organi nei fiori.

Nel corso del tempo, diverse linee di fiori hanno apportato modifiche e aggiustamenti al piano del corpo. Ma il modello ABC si adatta ancora alle 300.000 specie di piante da fiore che esistono oggi, anche quelle che hanno fatto deviazioni radicali dal piano di base.

La pianta che studio, la colombina (Aquilegia), ha cinque spirali invece di quattro. Si è evoluto un ulteriore spirale con un diverso tipo di organo, lo staminodio, tra gli stami e carpelli.

Immagine al microscopio elettronico a scansione di un bocciolo di fiore sezionato. Sepali, petali e tutti gli stami tranne tre sono stati rimossi. Gli organi mostrati sono una spirale di staminodia che circonda la spirale di carpelli in Aquilegia. Immagine SEM di Claire Meaders

In Aquilegia, le duplicazioni nei geni di classe B hanno permesso a più copie di un gene B di dividere il lavoro, evolvendo una nuova funzione. Tradizionalmente, i geni B sono espressi in petali e spirali di stame. In Aquilegia, una copia dei geni B è espressa principalmente nei petali, una copia è specifica dello stame e una copia è stata lasciata per creare un nuovo whorl, lo staminodium.

Immagine al microscopio elettronico a scansione di una spirale di staminodia in Aquilegia. SEM image by Claire Meaders

Dagli antichi filosofi ai poeti del xviii secolo fino ad oggi, abbiamo fatto molta strada per capire come si sviluppano i fiori. È stato particolarmente affascinante per me imparare come le mutazioni in questo piano di un corpo universale, che è stato a sua volta ereditato dai coni, portano all’incredibile diversità in forma floreale che vediamo oggi. Eppure abbiamo ancora molto da imparare. Sospetto che i prossimi 30 anni di ricerca sulla biologia vegetale riveleranno connessioni completamente nuove tra la bellezza che ammiriamo e il codice genetico che si trova al di sotto.

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