Sequenziato il genoma del Ginkgo biloba

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Un gruppo di scienziati cinesi ha completato il sequenziamento del genoma del Ginkgo biloba, una pianta che attrae l’attenzione sia del pubblico sia dei ricercatori per le sue peculiari caratteristiche

Il Ginkgo biloba rappresenta una delle quattro linee esistenti delle Gimnosperme, gruppo comprendente piante che producono semi non protetti da un ovario (le più note sono le conifere) e non ha parenti prossimi viventi, essendo l’unica specie oggi esistente non solo all’interno della sua famiglia, ordine e classe, ma dell’intero phylum delle Ginkgophyta, divisione la cui origine risalirebbe al periodo Permiano (circa 270 milioni di anni fa). Inoltre le sue foglie sono morfologicamente molto simili a quelle degli esemplari fossili dei suoi antichi parenti. Per queste ragioni è stato spesso definito con il fuorviante termine di “fossile vivente”. Perché non sia il caso di usare questa denominazione, priva di contenuto scientifico, Pikaia l’ha già argomentato.

Ma non c’è bisogno di ricorrere a termini suggestivi per destare interesse riguardo a una pianta caratterizzata da un insieme di notevoli peculiarità. Oltre all’aspetto maestoso dell’albero e alla forma aggraziata e inconsueta delle sue foglie, questa specie presenta una straordinaria resilienza, che gli permette non solo di resistere agli insetti erbivori e ai patogeni, ma anche a fattori abiotici, come l’inquinamento e le radiazioni: ad esempio, è famosa la sopravvivenza alla bomba atomica di sei piante di Gingko che vivevano a Hiroshima a poca distanza dal luogo dell’esplosione. Tale capacità di adattamento spiega in parte la longevità della specie ma anche dei singoli esemplari: si ritiene che una pianta possa superare i 1000 anni di età.

Nonostante l’interesse degli studiosi ad approfondire la biologia e l’evoluzione di questa specie, la notevole estensione del suo genoma non ne aveva permesso finora il completo sequenziamento e la successiva annotazione (l’annotazione dei geni consiste nell’individuare le sequenze codificanti e comprenderne le funzioni). Finalmente il lavoro è stato compiuto, da un’equipe di scienziati appartenenti al Beijing Genome Institute, all’università di Zhejiang e ad altre accademie cinesi.

La ricerca ha mostrato che la dimensione del genoma è di ben 10.61 Gb (Gb = miliardi di basi), e contiene oltre 41.000 geni. Il genoma di Gingko biloba è circa 80 volte più esteso di quello della Arabidopsis thaliana, specie usata di solito come riferimento negli studi sullo sviluppo delle piante, ed è anche più grande di quello di piante angiosperme come il mais e le orchidee, noti per le ampie dimensioni del loro genoma, dell’ordine di 1 o 2 Gb.

Una simile estensione si deve principalmente alla presenza di numerose sequenze ripetute, che costituiscono il 76,58% dell’intero genoma, e che i ricercatori attribuiscono in parte a un graduale accumulo e in parte a una duplicazione totale del patrimonio genetico. L’evento duplicativo si sarebbe verificato due volte: il più antico, condiviso con le altre piante a seme, mentre la più recente, specifica di questa specie, sarebbe avvenuta tra 74 e 147 milioni di anni fa, molto tempo dopo che le linee evolutive di Ginkgophyta e conifere si erano separate, circa 300 milioni di anni fa. Questa seconda duplicazione potrebbe aver contribuito in maniera sostanziale alla diversità morfologica e biologica della linea di discendenza del Gingko.

La conoscenza del patrimonio genetico consente innanzitutto di stabilire con maggior precisione i rapporti di parentela degli organismi. I ricercatori hanno trovato 2110 famiglie geniche esclusive del Gingko, a fronte di 5116 famiglie di geni ortologhi (geni condivisi da altre piante, ove codificano per le stesse proteine). La ricostruzione filogenetica basata su 920 di tali geni ha permesso di confermare l’ipotesi, oggi prevalente, che il Gingko sia, tra tutte le piante viventi, il parente più prossimo delle Cicadofite.

Inoltre, il sequenziamento del genoma consente di studiare le basi molecolari della straordinaria resistenza e tolleranza del Gingko agli attacchi degli insetti erbivori. Era noto che tale capacità fosse dovuta all’esistenza di sistemi difensivi diversi: effetti diretti, di tipo repellente e tossico, grazie alla produzione di sostanze come flavonoidi e terpeni; ma anche una forma di difesa indiretta, tramite l’emissione di specifici composti volatili che attirano i predatori degli insetti fitofagi.

Per quanto questa specie condivida questo nutrito arsenale chimico con numerose altre piante, sembra essere quella dotata delle più efficaci capacità difensive; infatti gli studiosi hanno trovato, tra quelli specifici del Gingko, oltre 11.000 geni coinvolti in funzioni di difesa contro i patogeni delle piante. Inoltre, hanno riscontrato le più numerose duplicazioni proprio nelle famiglie di geni coinvolte nei meccanismi di difesa multipli del Gingko; ad esempio, quelle responsabili delle vie metaboliche per la sintesi di flavonoidi e terpeni. La duplicazione dei geni potrebbe aumentare la resistenza grazie a una più cospicua biosintesi di tali sostanze, oltre a fornire la possibilità di evoluzione adattiva delle copie duplicate.

Mentre i meccanismi di difesa di questa specie3 contro gli insetti sono stati ben studiati, assai poco si sapeva finora circa la resistenza a funghi e batteri patogeni, e riguardo ai geni che ne sono responsabili. Nello studio in oggetto, è stata anche identificata una famiglia di geni coinvolta nel riconoscimento dell’infezione batterica nel Gingko, che mostra di aver subito un’eccezionale incidenza della duplicazione genica.

Questa ricerca, quindi, oltre a costituire un importante punto di riferimento nell’attività di sequenziamento e annotazione di genomi di grandi dimensioni, aiuterà a capire l’evoluzione delle piante terrestri, soprattutto le gimnosperme, e a studiarne i meccanismi di adattamento e difesa.


Riferimenti:
Rui Guan et al. Draft genome of the living fossil Ginkgo biloba. GigaScience, published online November 22, 2016; doi: 10.1186/s13742-016-0154-1

Immagine: Ginkgo biloba (Maxmaria) licenza: CC BY-NC-ND 2.0, da Flickr