Come la diversità del genoma racconta la storia delle piante coltivate

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“Il genoma della canna da zucchero finalmente decifrato”, era il titolo Il mondo il 14 aprile, accogliendo con favore una pubblicazione sulla rivista Natura. Un’impresa, davvero, poiché questo genoma è senza dubbio il più complesso che si possa incontrare in una pianta coltivata. Quella del riso, la prima pianta coltivata ad avere il genoma sequenziato, più di 20 anni fa, era “semplice”: 12 cromosomi, ciascuno in due copie identiche per un totale di 400 milioni di paia di basi (Mb) (coppie di basi azotate situate su due filamenti complementari di DNA).

Il caso della canna da zucchero è più complesso: la pianta, detta poliploide, contiene più copie dello stesso cromosoma di una pianta classica. Ha 10 volte più cromosomi del riso, ciascuno più lungo, per un genoma venti volte più grande. Per decifrarlo, l’equipe di ricercatori del CIRAD ha avuto l’idea di prendere come modello il sorgo, cugino stretto della stessa famiglia di graminacee, che ha mantenuto una struttura genomica simile senza aver subito una moltiplicazione del numero di cromosomi come la canna da zucchero .

In definitiva, perché esplorare in questo modo il genoma delle piante coltivate e delle loro varietà? La diversità ivi registrata rivela in realtà come si sono evoluti, selezionati dagli agricoltori in ambienti diversi e per scopi diversi. Il riso si evolve così attraverso mutazioni e incroci spontanei tra diverse forme apparse intorno all’Himalaya, selezionate ogni anno durante la domesticazione iniziata diecimila anni fa. Ciò si traduce in varietà sufficientemente numerose da garantire la produzione in ambienti estremamente diversi.

La struttura del genoma della canna da zucchero consente di combinare specie molto diverse mediante ibridazione. Nel nucleo di questo ibrido, i cromosomi risultanti da Saccharum officinarum sono colorati di verde, e quelli daErianthus arundinaceus in rosso.
Angélique D’Hont, Fornito dall’autore

La canna da zucchero, dal canto suo, proviene dalle isole del Sud-Est asiatico: è il risultato di una mescolanza più ampia, che incorpora diverse specie affini. Può così combinare resistenza alle malattie e vigore vegetativo incomparabile, che lo rende l’impianto di produzione di biomassa più efficiente. Tollera la diversità genomica al punto che possiamo produrre tutti i tipi di ibridi, anche intergenerici, combinando diversi generi botanici, come nella figura a fianco.

Comprendere i percorsi di adattamento passato consente di anticipare e accelerare i futuri adattamenti delle piante coltivate.

40 anni di ricerca sulla genomica vegetale

Per questo motivo nel 1986 il CIRAD ha fondato il laboratorio per l’analisi del genoma delle specie tropicali, divenuto poi un’importante piattaforma tecnica regionale di genotipizzazione. Le équipe hanno prodotto le prime mappe genetiche poi, grazie al sistema genomico nazionale, in particolare il Génoscope, e a varie collaborazioni internazionali, hanno creato un evento negli anni 2010 includendo diverse piante tropicali all’avanguardia dei modelli biologici, come l’albero del cacao, il banano albero e agrumi.

L’elenco si è ampliato negli ultimi anni con la pianta del caffè Arabica, la vaniglia e ovviamente lo zucchero di canna. Oggi si stanno facendo progressi per la palma da cocco, l’albero della gomma, la palma da olio, l’igname, l’arachide, il sorgo e persino il fonio, estendendo così l’onda genomica alle piante indigene.

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Queste informazioni consentono, per le piante le cui varietà si incrociano facilmente, di identificare sequenze associate a importanti caratteristiche agronomiche – sul campo o per la lavorazione e il consumo. La sfida è poi riuscire a favorirli nella miscelazione che i selezionatori – questi creatori di nuove varietà – effettuano prima di smistare i discendenti nelle condizioni di coltivazione.

Per altre specie, la miscelazione è più lenta e più casuale. A volte è costellato di combinazioni improbabili, quasi miracolose. Gli scienziati hanno così potuto evidenziare le ibridazioni sorprendenti che esseri umani attenti erano riusciti a identificare: banane da dessert, banane di platano, arancia, limone, clementina, pomelo o persino caffè Arabica.

Cacao, diffuso più di 5000 anni fa

Esempi di ceramiche contenenti tracce di cacao e provenienti dalle culture precolombiane dell’Ecuador: Valdivia (A, B, C, D-2950 a 1400 anni a.C.), Chorrera (E-350 a 1000 anni a.C.), Jama Coaque ( F, G-350 a.C. al 400 d.C.), e dalla Colombia: Calima Ilama (H, I-1600 a 100 a.C.).
Claire Lanaud, Fornito dall’autore

Prendiamo l’albero del cacao: la sua diversità genomica potrebbe essere studiata utilizzando genomi moderni e DNA antico rinvenuti in residui ceramici precolombiani.

Di origine amazzonica, fu diffuso dall’uomo molto presto, probabilmente più di 5.000 anni fa, verso le coste del Pacifico e l’America centrale, sperimentando numerose mescolanze tra popolazioni di origini genetiche molto distanti che gli permisero di adattarsi a questi nuovi ambienti.

Per gli amanti del cioccolato, questa produzione ha anche facilitato lo sviluppo di nuove qualità aromatiche, come quelle attualmente presenti nei chicchi prodotti dalle varietà Criollo e Nacional.

Banane e agrumi, frutti ibridi

La complessa costituzione genomica della varietà serve alla Cavendish, che riempie gli scaffali dei nostri supermercati.
Guglielmo Martino, Fornito dall’autore

Per quanto riguarda le banane, i risultati genomici hanno suggerito che il loro addomesticamento fosse stato avviato nella regione della Nuova Guinea da ibridazioni tra i gruppi bankii, schizocarpa e potenzialmente zebrina della specie. Musa acuminata.

Queste prime cultivar furono poi trasportate in diverse regioni del sud-est asiatico e ibridate con altre sottospecie locali del genere Musaportando alla loro diversificazione e alle varie tipologie varietali che attualmente conosciamo e che coinvolgono fino a sette contributori ancestrali.

Genealogia del lime (tahiti lime) basata sulle quattro specie ancestrali di agrumi.
Patrick Olitrault, Fornito dall’autore

Per quanto riguarda gli agrumi, la diversità genomica rivela che la maggior parte di quelli coltivati ​​in epoca moderna provengono da quattro specie fondatrici. Quindi, il lime (Agrumi latifolia) deriva da un’ibridazione naturale tra il limone mediterraneo e il tiglio messicano e coinvolge le quattro specie ancestrali.

La modalità di produzione delle cellule riproduttive (gameti) in questi complessi contesti genomici è illuminata dalla genomica e rende possibile progettare percorsi originali per il miglioramento di portinnesti resistenti alle malattie.

L’adattamento della pianta del caffè

Infine, da una di queste improbabili ibridazioni nasce anche la pianta del caffè Arabica. Ha fissato insieme i genomi di due specie diverse (Coffea canefora E C. eugenioides), ma è successo solo una volta.

Questa nuova combinazione nacque circa 500.000 anni fa in Etiopia e fu selezionata dagli arabi per la produzione del caffè intorno al XIV secoloe secolo. Ha apportato innumerevoli qualità legate alla tavolozza di diversità così riunita in ogni pianta, ma tutte le piante che ne derivano sono quasi identiche.

Da allora in poi, per mantenere il suo adattamento, la priorità è diventata la ricerca di altri eventi rari, che avrebbero ampliato questa diversità attraverso l’introgressione da altre fonti. L’attenzione è ora focalizzata sulle forme localizzate in Etiopia e Yemen.

Risorse preziose per il miglioramento genetico

Tutti questi eventi improbabili specifici di ciascuna cultura sono stati molto utili ma sono difficili da riprodurre. Solo comprendendo tutti i dettagli possiamo esplorare le variazioni per creare e mantenere la diversità necessaria per l’adattamento. Alcune forme talvolta molto rare diventano le uniche fonti di caratteristiche determinanti in futuro.

Cirad, in collaborazione con l’INRAE ​​e l’IRD e in collegamento con reti di ricerca internazionali o strutture private, conserva e conserva collezioni di risorse genetiche, sotto forma di semi, cellule conservate criogenicamente o anche piante intere a Montpellier, in Corsica, Guadalupa, Guyana e Riunione.

Queste attività sono costose, ma rappresentano un investimento essenziale per il futuro. Mobilitando la diversità disponibile in strette relazioni con le diverse parti interessate – dagli agricoltori ai centri di ricerca – stiamo preparando le colture e le varietà di domani.

La diversità genomica, informazione chiave per le azioni future, è diventata una questione globale. Se sappiamo rivelare il potenziale biologico di determinate sequenze, sarà possibile gestirne la trasmissione alla prole. È anche possibile trascriverli mediante editing genomico per trasmettere gli attributi biologici desiderati alle varietà esistenti senza ricorrere a incroci.

Questo percorso di miglioramento genetico, purché si stabilisca il know-how biotecnico, sembra illimitato, in particolare facilitando la produzione della birra. Così le questioni relative alle scelte sociali e alla proprietà intellettuale irrompono in un campo del sapere attualmente in piena riflessione.

Diffondere la conoscenza

Questa esplorazione della diversità genomica risponde innanzitutto a una sfida ambientale, il cambiamento climatico, che richiede di accelerare l’adattamento delle piante a contesti specifici – le diverse zone di coltivazione –, contrastanti e molto in evoluzione, in stretta interazione con i produttori.

Ma comporta anche una sfida sociale: è essenziale garantire l’accesso alle informazioni in modo che tutti gli esseri umani possano appropriarsene, adattare le proprie culture e continuare a nutrirsi in modo sostenibile. Stiamo quindi lavorando per ampliare l’accesso ai dati e agli strumenti di analisi attraverso piattaforme informatiche che ospitano database genomici dedicati per pianta. E stiamo contribuendo a una maggiore equità delle competenze fornendo formazione sugli strumenti di genomica funzionale e comparativa e sui loro usi a giovani scienziati in Francia e tra i nostri partner nei paesi del sud.


Gli autori ringraziano i loro colleghi, in particolare Angélique D’hont, Patrick Ollitrault e Benoît Bertrand, nonché Francis Quétier di Génoscope, per i loro contributi pionieristici e decisivi e il loro ruolo fondatore.

Il 5 giugno 1984 nasce il CIRAD, fondato con decreto. Da 40 anni, gli scienziati del CIRAD condividono e co-costruiscono conoscenze e soluzioni innovative con i paesi del Sud per preservare la biodiversità, la salute delle piante e degli animali, e quindi rendere i sistemi agricoli e alimentari più sostenibili e resilienti di fronte al cambiamento globale.

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