Gli scienziati si stanno avvicinando alla ricerca dei geni per la mascolinità nella canapa acquatica e nell'amaranto di Palmer, due delle erbacce agricole più fastidiose degli Stati Uniti.

Trovare i geni potrebbe consentire nuovi metodi di "controllo genetico" per le erbacce, quale, in molti posti, non rispondono più agli erbicidi. Waterhemp e Palmer amaranto sono dioici, il che significa che hanno piante sia maschili che femminili.

“Se sapessimo quali geni controllano la mascolinità e potessimo far proliferare quei geni all'interno della popolazione, ogni pianta del campo sarebbe un maschio dopo poche generazioni, e teoricamente, la popolazione crollerebbe, "dice Pat Tranel, uno scienziato dell'erba dell'Università dell'Illinois e autore principale di uno studio in Nuovo Fitologo.

Tranel e i suoi colleghi avevano precedentemente identificato marcatori molecolari associati alla regione genomica maschile. Dopo aver sequenziato i genomi maschili, i ricercatori sono stati in grado di utilizzare quei marcatori per concentrarsi sulla regione specifica per il maschio. Ora, sono entro 120-150 geni dalla ricerca del loro bersaglio.

“Siamo fiduciosi che la maggior parte di quei circa 120 geni probabilmente non stanno facendo nulla. È solo roba accumulata in quella regione del genoma, "dice Tranel. “Se dovessi indovinare, Direi che forse 10 di loro stanno effettivamente facendo qualcosa di rilevante".

Dioecy

Restringere i geni legati al genere in queste erbe infestanti potrebbe avere un valore pratico per il controllo, ma lo studio fa luce anche sul fenomeno della dioecy – organi sessuali maschili e femminili su individui separati – più in generale. La stragrande maggioranza degli animali è dioica, ma è raro nelle piante. Più del 90% delle piante da fiore ha entrambi gli organi sessuali sullo stesso individuo, e spesso all'interno dello stesso fiore. Waterhemp e Palmer amaranto, però, sono dioici.

Dioecy significa che è impossibile per una pianta autoimpollinarsi; Invece, i gameti femminili devono essere fecondati dal polline maschile di un'altra pianta. Questa è una buona cosa per garantire la diversità genetica in una popolazione. Ed è probabilmente ciò che ha reso la canapa acquatica e l'amaranto di Palmer così efficaci nell'eludere gli effetti dannosi di più erbicidi.

"Ad oggi, la canapa d'acqua e l'amaranto di Palmer hanno sviluppato una resistenza agli erbicidi che abbraccia sette e otto modalità d'azione, rispettivamente. La riproduzione dioica fa sì che tutti questi tratti di resistenza vengano mescolati e abbinati all'interno degli individui. Questa miscelazione ha permesso alle popolazioni di entrambe le specie di combinare più resistenze agli erbicidi, lasciando ai produttori poche scelte efficaci di diserbanti, "dice Tranel.

Comprendere il raro fenomeno della dioezia nelle piante può aiutare gli scienziati a mettere insieme come i tratti vengono ereditati da ciascun genitore, e per capire come si evolve il fenomeno.
A differenza degli animali, in cui si pensa che la dioezia si sia evoluta solo una volta, gli scienziati ritengono che la dioezia nelle piante si sia evoluta numerose volte. E, secondo lo studio di Tranel, sembra essersi evoluto indipendentemente nella canapa acquatica e nell'amaranto di Palmer, due specie strettamente imparentate.

"Non sono pronto a dire che sappiamo assolutamente che si sono evoluti separatamente, ma tutte le informazioni che abbiamo trovato supportano questa idea. Solo due dei 120-150 geni erano simili tra loro nelle due specie, "dice Tranel.

Uno di quei geni condivisi, Florigen, aiuta le piante a rispondere alla lunghezza del giorno avviando la fioritura. Tranel non sa ancora se determina il genere dei fiori, ma è incuriosito dal fatto che sia apparso nella regione Y specifica per il maschio per entrambe le specie.

“Non lo sappiamo per certo, ma forse è coinvolto con i maschi che fioriscono prima delle femmine. Ciò potrebbe essere vantaggioso per i maschi perché in tal caso perderebbero polline quando le prime femmine diventano ricettive. Quindi se, infatti, Palmer e waterhemp hanno davvero evoluto la dioica separatamente, ma entrambi hanno acquisito questo gene Florigen per un vantaggio di fitness, sarebbe un bell'esempio di evoluzione parallela.”

Tranel spera di restringere ulteriormente la regione Y specifica per il maschio in entrambe le specie per isolare i geni che determinano la mascolinità. Non c'è alcuna garanzia che una soluzione di controllo genetico sarà sviluppata una volta identificati quei geni - Tranel dovrebbe probabilmente attrarre partner del settore per questo - ma avere uno strumento del genere non è così lontano come una volta.

L'articolo, Regioni cromosomiche Y maschili specifiche nella canapa acquatica (Amaranthus tuberculatus) e nell'amaranto di Palmer (Amaranthus palmeri), è pubblicato in Nuovo Fitologo.

Gli autori includono Jacob Montgomery, Darci Giacomini, e Pat Tranel dell'Università dell'Illinois, e Detlef Weigel dell'Istituto Max Planck per la biologia dello sviluppo. Il progetto è stato sostenuto dall'USDA National Institute of Food and Agriculture e dalla Max Planck Society.