La genomica comparativa rivela un azoto unico

Nature Communications volume 14, numero articolo: 4334 (2023) Citare questo articolo

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Le Asteraceae (famiglia delle margherite) sono una delle più grandi famiglie di piante. La base genetica della sua elevata biodiversità e dell'eccellente adattabilità non è stata chiarita. Qui, confrontiamo i genomi di 29 specie di piante terrestri, inclusi due gruppi genomici su scala cromosomica de novo per la lattuga a stelo, un membro delle Asteraceae, e Scaevola taccada, un membro delle Goodeniaceae che è uno dei gruppi esterni più vicini delle Asteraceae. Mostriamo che le Asteraceae hanno avuto origine circa 80 milioni di anni fa e hanno subito ripetute paleopoliploidizzazioni. Il PII, il regolatore universale dell'assimilazione di azoto-carbonio (NC) presente in quasi tutti i domini della vita, ha perso vistosamente tra le Asteraceae. Nel frattempo, le Asteraceae hanno gradualmente aggiornato il sistema di equilibrio NC attraverso la paleopoliploidizzazione e la duplicazione tandem di geni metabolici chiave, con conseguente miglioramento dell’assorbimento di azoto e della biosintesi degli acidi grassi. Oltre a suggerire una base molecolare per il loro successo ecologico, l’esclusivo sistema di equilibrio NC riportato per le Asteraceae offre una potenziale strategia di miglioramento delle colture.

Le angiosperme (piante da fiore) sperimentarono una rapida radiazione terrestre e una diversificazione delle specie, diventando infine ecologicamente dominanti prima della fine del periodo Cretaceo, notoriamente definito da Charles Darwin “un mistero abominevole”1. In particolare, le Asteraceae rivaleggiano con le Orchidaceae come la famiglia più numerosa di piante da fiore. Le Asteraceae comprendono più di 1620 generi e 30.000 specie e rappresentano circa il 10% di tutte le specie da fiore (Figura 1 supplementare e Nota supplementare 1)2,3. La ricchezza delle specie di Asteraceae è molto maggiore di quella delle famiglie correlate dell'ordine Asterales, tra cui Calyceraceae (47 spp.), Goodeniaceae (430 spp.) e Menyanthaceae (60 spp.)3. Essendo la famiglia di maggior successo ecologico con un'incredibile diversità ed eccellente adattabilità, i suoi membri si trovano in quasi tutti i tipi di habitat sulla terra, compresi ambienti estremi, come deserti e saline (Figura 1 supplementare)4. Un altro esempio che può illustrare la straordinaria adattabilità delle Asteraceae è che le piante di questa famiglia si collocano tra le prime tre nell'elenco delle specie invasive a livello globale (Figura 1 supplementare). Si ritiene che il successo ecologico delle Asteraceae sia correlato alla sua specifica morfologia e fisiologia. Ad esempio, la caratteristica infiorescenza (capitulum) contribuisce sostanzialmente alla radiazione ecologica attirando insetti impollinatori che fanno molto affidamento su questa famiglia per nutrirsi e riprodursi5. I frutti simili ad acheni (cipsele) con pappo di setole favoriscono la dispersione ad opera del vento o si attaccano alla pelliccia o al piumaggio degli animali2. Entrambi questi metodi di dispersione danno come risultato semi che si diffondono su una distanza maggiore rispetto alla maggior parte degli altri tipi di semi. Inoltre, i fruttani di tipo inulina, al posto degli amidi, sono i carboidrati di riserva primari nelle Asteraceae e hanno potenziali funzioni per aumentare la loro capacità di adattamento alle sfide ambientali6,7,8. Tuttavia, comprendere progressivamente la diversificazione esplosiva e l’adattabilità delle Asteraceae rimane ancora una grande sfida per i biologi.

L'origine e la prima evoluzione delle Asteraceae sono inconcludenti e misteriose. I recenti studi filogenetici delle Asteraceae, utilizzando nuove prove fossili e un campionamento più ampio della famiglia, collocano la sua origine nel tardo periodo Cretaceo (69–89 milioni di anni fa [MYA])2,5,9. La famiglia era considerata relativamente giovane fino a poco tempo fa (40-50 MYA) sulla base dei reperti fossili esistenti, e questo lasso di tempo è coerente con quello fornito dagli orologi molecolari2,10,11. Un evento di paleopoliploidizzazione è stato proposto e condiviso dalle sottofamiglie vicino al nodo coronale delle Asteraceae, che è stato considerato una triplicazione dell'intero genoma dalle recenti analisi genomiche10,12,13,14. Inoltre, è stato stimato e previsto che le frequenti duplicazioni potenziali dell'intero genoma antico (WGD) all'interno di diverse tribù siano una forza che guida l'evoluzione e aumenta la biodiversità considerando che le poliploidizzazioni duplicano tutti i geni simultaneamente e forniscono materiale genetico abbondante per i processi evolutivi, come la neofunzionalizzazione, subfunzionalizzazione e conservazione dei geni a causa degli effetti del dosaggio13,15. Gli approfondimenti sulla poliploidizzazione consentono di rendere fattibile la base genetica di tratti specifici delle Asteraceae approfondendo i genomi di alta qualità utilizzando tecnologie di sequenziamento all'avanguardia.