Volume: il pomodoro

Sezione: ricerca

Capitolo: geni aucsia

Autori: Barbara Molesini, Giuseppe Leonardo Rotino

Introduzione

La famiglia genica Aucsia (Auxin cum silencing action) è stata recentemente identificata nel pomodoro ed è composta da due membri, SlAucsia-1 e SlAucsia-2. Studi di genomica funzionale hanno dimostrato che i geni Aucsia sono coinvolti nelle fasi iniziali dello sviluppo del frutto e agiscono su diversi processi biologici controllati dall’auxina.

Studio della funzione dei geni Aucsia nel pomodoro mediante silenziamento genico

Il gene SlAucsia-1 è stato identificato per primo, nell’ambito di uno studio condotto su piante di pomodoro non partenocarpiche e su piante partenocarpiche, transgeniche per DefH9-iaaM e DefH9-RI-iaaM. L’analisi prevedeva di isolare la popolazione dei trascritti presenti nelle gemme fiorali di controllo e di confrontarla con quelle derivanti dai germogli fiorali delle piante partenocarpiche. Lo scopo dell’esperimento era quello di individuare geni differenzialmente espressi nelle piante partenocarpiche rispetto alle piante controllo che potessero essere implicati nelle fasi precoci di sviluppo del frutto. È importante ricordare che nelle piante non partenocarpiche l’allegagione e la crescita dell’ovario/frutto avvengono in seguito all’impollinazione e alla fecondazione del fiore (fiore all’antesi ovvero stadio di fiore aperto), mentre nelle piante partenocarpiche DefH9-iaaM e DefH9-RI-iaaM lo sviluppo dell’ovario/frutto è anticipato a uno stadio che precede l’antesi, quando ancora la gemma fiorale è chiusa. Con queste analisi sono stati identificati 212 trascritti differenzialmente espressi, 65 di questi (31%) aventi funzione sconosciuta. Nell’ambito di questa classe è stato identificato il trascritto genico SlAucsia-1, la cui espressione nelle piante partenocarpiche era ridotta di circa un 60% rispetto alle piante controllo. L’analisi mediante software dedicati ha permesso in seguito di identificare all’interno del genoma di pomodoro un secondo gene, chiamato SlAucsia-2, che mostrava, a livello del trascritto genico corrispondente, un’identità di sequenza con SlAucsia-1 dell’85%. I geni Aucsia sono espressi, sebbene con un diverso livello di espressione (il trascritto genico di SlAucsia-2 è più abbondante del trascritto genico di SlAucsia-1), in tutti i tessuti della pianta ma, preferenzialmente, nelle gemme fiorali allo stadio di pre-antesi, per poi diminuire quasi totalmente dopo che sono avvenute l’impollinazione e la fecondazione del fiore (4-5 giorni dopo l’antesi), stadio in cui il frutticino inizia a crescere. I geni SlAucsia-1 e SlAucsia-2 codificano per mini proteine di 53 aminoacidi che sono conservate nella maggior parte delle piante terrestri e in alcune alghe verdi unicellulari. Questo alto grado di conservazione dei peptidi potrebbe indicare un ruolo funzionale simile dei geni Aucsia in tutte le piante terrestri. La regolazione dell’espressione dei geni Aucsia durante le prime fasi di sviluppo del frutto di pomodoro ha suggerito una loro probabile implicazione nella formazione del frutto stesso. Per determinare il loro effettivo ruolo funzionale nel pomodoro, è stato sviluppato un approccio di silenziamento genico detto anche RNA silencing. Silenziare (= spegnere) un gene di interesse significa inattivare la sua espressione e questo può avvenire per esempio per degradazione dell’mRNA corrispondente, impedendo conseguentemente che l’informazione in esso contenuta venga tradotta in proteina. Una diminuita sintesi o una totale assenza di sintesi della proteina può portare nella pianta alla comparsa di alterazioni fenotipiche, dalla cui osservazione si può risalire alla funzione del gene bersaglio. RNA a doppia elica di sequenza omologa al gene/i bersaglio che si vogliono silenziare sono in grado di innescare l’RNA silencing. Per produrre queste molecole innesco, si possono costruire geni sintetici, costituiti da due sequenze omologhe al gene di interesse poste in orientamento invertito, separate da uno spaziatore, che una volta inseriti stabilmente nella pianta esprimono RNA a forcina (ovvero RNA a doppio filamento) che danno inizio al processo di spegnimento del gene bersaglio. Il costrutto genico messo a punto per silenziare i geni Aucsia porta ripetuta e in orientamento invertito una sequenza lunga 200 bp del gene SlAucsia-1 e produce nella pianta la formazione di una molecola a doppio filamento che serve da guida per la degradazione dell’mRNA di SlAucsia-1. L’alto grado d’identità dei trascritti genici di SlAucsia-1 e SlAucsia-2 ha permesso, con il solo costrutto diretto verso il gene SlAucsia-1, di innescare anche il silenziamento del gene SlAucsia-2. È stato dimostrato che il silenziamento dei geni Aucsia di pomodoro determina partenocarpia. Le gemme fiorali raccolte allo stadio pre-antesi dalle piante silenziate nei geni Aucsia contengono 100 volte più auxina rispetto alle gemme fiorali controllo. Il fenotipo partenocarpia può quindi essere spiegato come conseguenza dell’elevato contenuto di auxina a livello delle giovani gemme fiorali che, mimando il segnale/i positivo/i che derivano normalmente dalla fecondazione del fiore, attiva il programma di sviluppo del frutto.

Partenocarpia ottenuta mediante silenziamento dei geni Aucsia

I frutti partenocarpici, essendo in grado di svilupparsi in assenza di fecondazione, sono privi di semi (frutti apireni). Come è noto la partenocarpia può essere facoltativa oppure obbligatoria. Nelle piante silenziate per i geni Aucsia sono stati osservati i due tipi di partenocarpia. I frutti partenocarpici facoltativi presentavano forma simile ai frutti controllo, mentre i frutti partenocarpici obbligati erano spesso umbonati, una malformazione che solitamente si osserva in serra quando i fiori di pomodoro vengono trattati con dosi eccessive di fitoregolatori alleganti. La partenocarpia che deriva dalla soppressione dei geni Aucsia è innovativa rispetto a quelle descritte precedentemente, poiché è stata ottenuta seguendo un approccio di tipo intragenico e non transgenico, ovvero senza introduzione nel genoma di pomodoro di un gene esogeno (estraneo ovvero un transgene), ma attraverso la regolazione di un gene naturalmente presente nel genoma della pianta stessa. La scoperta dei geni Aucsia potrebbe essere il punto di partenza per portare in futuro al conferimento di partenocarpia mediante un approccio di tipo cisgenico. In tal caso il costrutto genico sarà costituito in tutte le sue parti (promotore, regione codificante, terminatore) da porzioni di geni che sono familiari alla pianta stessa, in quanto derivati da una pianta donatrice dello stesso genere o specie. In questo modo, potrebbero essere superate tutte le problematiche di carattere etico legate all’inquinamento genico ovvero all’introduzione di materiale estraneo in varietà o cultivar.

Importanza della scoperta della famiglia genica Aucsia

L’auxina regola la maggior parte dei processi di sviluppo della pianta quali per esempio la risposta alla luce e alla gravità, lo sviluppo del frutto, la crescita delle radici e lo sviluppo delle foglie. Data l’importanza che questo ormone riveste per la vita di tutti gli organismi vegetali, l’auxina dal secolo XIX è sempre stata oggetto d’indagine. A oggi, il suo meccanismo d’azione è in buona parte conosciuto, tuttavia molti aspetti riguardanti la regolazione della concentrazione dell’ormone a livello cellulare e tissutale risultano ancora elusivi. La scoperta dei geni Aucsia è rilevante sia per le sue ricadute applicative in agricoltura sia da un punto di vista euristico, poiché potrebbe contribuire ad aumentare l’informazione riguardo ai meccanismi molecolari sottesi all’azione dell’auxina nello sviluppo della pianta.

 


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