Vi presento il genoma del frumento

scienceWheatGenomePrima di approdare all’azienda dove lavoro attualmente, ho trascorso quattro anni e mezzo presso un centro di ricerca specializzato in genomica vegetale. L’istituto in questione si trova a Fiorenzuola d’Arda, nel piacentino, e fa parte del Consiglio per la Ricerca e la sperimentazione in Agricoltura (C.R.A.), un ente istituito nel 1997 che ha 15 sedi sparse in tutta Italia, ognuna con competenze e obiettivi specifici. A Fiorenzuola si sperimentano nuove varietà di cereali, si studia la resistenza a malattie e, in particolar modo negli ultimi anni, si studiano i genomi delle specie vegetali più interessanti dal punto di vista agronomico. I ricercatori che lavorano nel campo umano possono contare oggi su enormi quantità di informazioni, anche in ambito genomico, ma la situazione è molto diversa per chi lavora con le piante. Basti pensare che a distanza di 14 anni dal sequenziamento del genoma umano, ancora mancano delle sequenze genomiche complete per diverse colture.

ResearchBlogging.orgHo fatto questa lunga premessa perché oggi è stato compiuto un passo importantissimo per la genomica vegetale e per l’agricoltura in genere, e anche io posso vantare un piccolo contributo in questo grande risultato. Sul numero odierno di Science è stata infatti pubblicata la prima bozza del genoma del frumento tenero (Triticum aestivum), per intenderci quello che si usa per fare il pane (pdf). Il frumento tenero è un vero e proprio incubo per chi si occupa di genomica: innanzitutto – a differenza di noi umani che ne abbiamo due – il genoma del frumento ha 6 copie di ciascun cromosoma, eredità di antichi incroci tra tre diverse piante selvatiche; in secondo luogo è pieno di sequenze di DNA ripetute (la percentuale si aggira attorno all’80%), cosa che ha complicato notevolmente e quindi ritardato l’assemblaggio di un’unica sequenza genomica; infine, il genoma del frumento ha delle dimensioni mostruose (17 miliardi di paia di basi, cinque volte il genoma umano). Il consorzio internazionale che si occupa di sequenziare Triticum aestivum ha dovuto seguire una strategia un po’ laboriosa per tentare di superare questi ostacoli: con una apposita tecnica sono stati separati i 21 (7×3) cromosomi che compongono il suo genoma, e ogni cromosoma è stato poi sequenziato e assemblato in modo indipendente. Dopodiché è iniziato il lungo lavoro di annotazione: geni codificanti proteine, elementi ripetuti, microRNA. Ed è qui che entro in gioco io: i microRNA sono stati il mio pane quotidiano per tutto il mio dottorato.

plantmicrornasNon vi tedierò con i dettagli tecnici, vi basti sapere che queste molecole svolgono una importante funzione di regolazione, spegnendo all’occorrenza i ben più famosi geni che codificano proteine. Sappiamo che molti microRNA svolgono una funzione importante in condizioni di stress della pianta, come siccità o infezioni da patogeni, ma è soprattutto per il loro ruolo durante lo sviluppo che sono diventati celebri. Purtroppo i microRNA hanno un aspetto abbastanza anonimo: li riconosci perché si ripiegano a formare una struttura simile a una forcina per capelli, ma ahimé di possibili forcine per capelli se ne trovano a milioni in un genoma. Distinguere un vero microRNA da una sequenza che per puro caso può assumere quella particolare conformazione è insomma un’impresa ardua. Alla fine si è deciso di farci aiutare dai microRNA noti in altre specie: isolare sequenze simili a microRNA già conosciuti è un ottimo punto di partenza quando non sai da dove cominciare. A quel punto abbiamo usato un software basato su un modello probabilistico che, in base alle caratteristiche strutturali della molecola, decide se si tratta di un microRNA oppure no. Così facendo abbiamo selezionato un set di poco meno di 100mila sequenze che avevano le carte in regola per essere potenziali microRNA.

Il frumento tenero sembra avere quindi un enorme arsenale di microRNA, benché sia attualmente poco sfruttato. Dai dati a nostra disposizione infatti, solo una piccola frazione di queste sequenze risulta essere espressa e quindi attiva: la gran parte di esse sembra essere per così dire dormiente, almeno nelle condizioni biologiche che sono state studiate finora. Non escludiamo tuttavia che in particolari situazioni di stress, anche questi microRNA possano “risvegliarsi” e fornire il loro contributo. Ma c’è un altro aspetto che emerge in modo molto forte da questa analisi. I microRNA che abbiamo trovato sono in gran parte sovrapposti ai cosiddetti trasposoni o elementi trasponibili, cioè sequenze di DNA che hanno la capacità di spostarsi o duplicarsi nei genomi. Questo fatto sembra confermare una teoria molto interessante, secondo la quale sono proprio i trasposoni che, con il loro girovagare, hanno consentito l’evoluzione di nuovi microRNA. Ma non è tutto. L’affascinante storia evolutiva del frumento ha lasciato ampie tracce nel suo genoma, descritto con dovizia di particolari nell’articolo appena uscito su Science. Un articolo frutto di anni di lavoro, portato avanti con determinazione dal consorzio internazionale IWGSC.

CRA-GPGCerto il mio è stato un piccolo (ma importante) contributo, tuttavia è comunque piacevole leggere il proprio nome su una delle riviste scientifiche più quotate al mondo. Inoltre, questo articolo servirà a ricordarmi la bellissima esperienza che ho vissuto con i colleghi e amici di Fiorenzuola d’Arda: lavoro e studio, ma anche tante risate in compagnia. Soprattutto mi ricorderà Primetta, una persona davvero fantastica che ho avuto la fortuna di avere al mio fianco mentre compivo i primi passi da giovane ricercatore. Sarei felice di festeggiare con tutti loro questa pubblicazione su Science, magari davanti a un piatto di chisolini e a un buon bicchiere di Gutturnio.


La vignetta “Plant microRNAs – The birth of the regulators” è una creazione di Pablo Manavella (Conceptual Design) e Nicolas Cinquegrani (Artwork).


Mayer, K., Rogers, J., Dole el, J., Pozniak, C., Eversole, K., Feuillet, C., Gill, B., Friebe, B., Lukaszewski, A., Sourdille, P., Endo, T., Kubalakova, M.,  ihalikova, J., Dubska, Z., Vrana, J.,  perkova, R.,  imkova, H., Febrer, M., Clissold, L., McLay, K., Singh, K., Chhuneja, P., Singh, N., Khurana, J., Akhunov, E., Choulet, F., Alberti, A., Barbe, V., Wincker, P., Kanamori, H., Kobayashi, F., Itoh, T., Matsumoto, T., Sakai, H., Tanaka, T., Wu, J., Ogihara, Y., Handa, H., Maclachlan, P., Sharpe, A., Klassen, D., Edwards, D., Batley, J., Olsen, O., Sandve, S., Lien, S., Steuernagel, B., Wulff, B., Caccamo, M., Ayling, S., Ramirez-Gonzalez, R., Clavijo, B., Wright, J., Pfeifer, M., Spannagl, M., Martis, M., Mascher, M., Chapman, J., Poland, J., Scholz, U., Barry, K., Waugh, R., Rokhsar, D., Muehlbauer, G., Stein, N., Gundlach, H., Zytnicki, M., Jamilloux, V., Quesneville, H., Wicker, T., Faccioli, P., Colaiacovo, M., Stanca, A., Budak, H., Cattivelli, L., Glover, N., Pingault, L., Paux, E., Sharma, S., Appels, R., Bellgard, M., Chapman, B., Nussbaumer, T., Bader, K., Rimbert, H., Wang, S., Knox, R., Kilian, A., Alaux, M., Alfama, F., Couderc, L., Guilhot, N., Viseux, C., Loaec, M., Keller, B., & Praud, S. (2014). A chromosome-based draft sequence of the hexaploid bread wheat (Triticum aestivum) genome Science, 345 (6194), 1251788-1251788 DOI: 10.1126/science.1251788

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