La genetica della fitness

L’adattamento ad ambienti specifici è alla base dell’evoluzione e della sopravvivenza di tutti gli organismi. Nonostante questo aspetto teorico sia ampiamente riconosciuto, poche sono le osservazioni a sostegno su base molecolare. Il problema principale a riguardo è dovuto al fatto che è necessario capire le basi genetiche della variazione di fitness se si vuole comprendere i meccanismi genetici dell’adattamento. Come


L’adattamento ad ambienti specifici è alla base dell’evoluzione e della sopravvivenza di tutti gli organismi. Nonostante questo aspetto teorico sia ampiamente riconosciuto, poche sono le osservazioni a sostegno su base molecolare. Il problema principale a riguardo è dovuto al fatto che è necessario capire le basi genetiche della variazione di fitness se si vuole comprendere i meccanismi genetici dell’adattamento. Come correlare cambiamenti di fitness con i corrispondenti cambiamenti molecolari? Il problema è quanto mai attuale ed interessante, dal momento che l’impatto dei cambiamenti, soprattutto climatici, è destinato ad intensificarsi.

Hanno cercato di venire a capo del problema due gruppi di ricerca che hanno pubblicato le loro osservazioni sullo stesso numero di Science. Entrambi hanno scelto come modello Arabidopsis thaliana: perché? Questa pianta vive in un areale caratterizzato da un’estesa variabilità climatica ed il genoma delle diverse varietà adattate localmente è noto (un vantaggio non indifferente). Il metodo comune ai due gruppi è l’analisi sull’intero genoma dei polimorfismi a livello di singolo nucleotide combinata con la stima della fitness.

I ricercatori del primo gruppo hanno cresciuto un diverso set di ecotipi in giardini collocati in varie zone europee con clima nordico, mediterraneo, continentale ed oceanico. Nella seconda ricerca, invece, è stata studiata la forte correlazione rilevata tra i tipi ecologici e 13 variabili climatiche: temperatura, precipitazioni, radiazione attiva fotosintetica (indispensabile alle piante), umidità, lunghezza delle stagioni ed aridità. Gli alleli associati con elevata fitness in un sito sono localmente più abbondanti dei controlli? Se contribuiscono all’adattamento locale della popolazione, questo è quanto atteso… e anche verificato! Questi alleli sono però associati a specifici fattori climatici? Qui le osservazioni si fanno interessanti: in alcuni casi gli alleli associati con fitness maggiore mostrano una spiccata specificità climatica, ma più spesso sono gli alleli associati a bassa fitness a mostrare maggiore specializzazione. Forse questi alleli potrebbero essere neutrali all’interno di specifiche condizioni climatiche, ma deleteri se “trapiantati” in altri siti con clima differente. Se la selezione favorisce specifici alleli in ristrette regioni geografiche, allora queste varianti saranno comuni unicamente in queste regioni e rare in altre. Si osserva infatti che alleli associati, ad esempio, con la produzione di frutti in Inghilterra mostrano scarso o nessun effetto sulla fitness in Finlandia o Spagna. Come vengono selezionate le varianti? I cambiamenti climatici potrebbero richiedere adattamenti rapidi. Se ci si basa sulla selezione di nuove mutazioni, si potrebbe essere rallentati dall’insorgere di poche mutazioni “utili”; mentre la selezione di varianti pre-esistenti a bassa o media frequenza può essere invece estremamente rapida. In relazione a questi aspetti i due gruppi si dividono, in quanto il primo non trova alcun segnale di selezione a livello di nuove mutazioni, mentre il secondo sì. A questa domanda non c’è (ancora) risposta.

Ma di che varianti stiamo parlando? Che geni conferiscono questi vantaggi? Per quali tipi di proteine codificano? Si tratta di fattori di trascrizione e proteine con capacità di legame. A variare sono quindi anche processi molecolari, non solo geni di per sé associati alle diverse condizioni. Questi ultimi sono associati alle condizioni di stress: risposta ai necrotrofi (organismi che si nutrono di tessuti morti della pianta); riparo del DNA in seguito ad infezioni virali; tolleranza a condizioni di siccità; biosintesi dell’auxina (ormone vegetale); fotosintesi; gravitropismo (adattamento alla gravità) e metabolismo energetico. E’ stata inoltre evidenziata un’associazione tra quest’ultimo parametro e disponibilità d’acqua. Probabilmente ciò deriva da variazioni nelle capacità fotosintetiche della pianta dovute a differenze nel tempo di apertura degli stomi (cellule dotate di cloroplasti). Quanto questi effetti siano pleiotropici è difficile da stabilire, dal momento che alcuni di questi risultati potrebbero essere dovuti a correlazioni tra le variabili stesse, piuttosto che da pleiotropia reale.

Per testare la robustezza del modello, quale miglior verifica se non la sua capacità predittiva? Nel secondo studio, quindi, i ricercatori hanno testato la capacità di predire la fitness relativa di 147 piante messe a dimora in autunno in uno stesso giardino a Lille, in Francia. Il modello si è così dimostrato forte e robusto.

Finalmente è nota un’evidenza molecolare per l’adattamento locale dell’arabetta a livello europeo ed anche una tecnica efficace per stimare geni candidati per questo adattamento.

Ilaria Panzeri



Riferimenti:

Fournier-Level A., Korte A., Cooper M. D., Nordborg M., Schmitt J. e Wilczek A. M. A map of local adaptation in Arabidopsis thaliana. Science, 334: 86-89 (2011).

Hancock A. M., Brachi B., Faure N., Horton M. W., Jarymowycz L. B., Sperone F. G., Toomajian C., Roux F. e Bergelson J. Adaptation to climate across the Arabidopsis thaliana genome. Science, 334: 83-86 (2011).

Savolainen O. The genomic basis of local climatic adaptation. Science, 334: 49-50 (2011).