DNA mobile e mais arlecchino

Come reagireste se vi dicessi che nel nostro territorio viene coltivata una specie vegetale nella quale frammenti del suo DNA si staccano e si attaccano in altri punti del corredo genetico della pianta come tasselli di un mosaico? Non si tratta di ricombinazione dei gameti, ma di “trasposizione di elementi genetici mobili” attivata da altri geni, perfettamente inseriti nel genoma della pianta.

Si tratta di una specie vegetale naturalissima che fa tutto ciò da sé, secondo un meccanismo d’azione inventato e diffuso dalla Madre Natura Co. nella gigantesco bricolage della vita.
Il regno dei vegetali in natura è un caleidoscopio di ibridi, innesti e rimescolamenti genici da far impallidire il mito greco delle chimere. Il granturco (Zea mays), però, fra tutte le piante ci tiene a mettersi in mostra come campione di esibizionismo genetico.

Tutto 100% naturale. Ma procediamo con ordine.

Le spighe che troviamo al supermercato sono solitamente gialle canarino, oppure più tendenti all’arancio o al dorato – comunque su quelle tonalità. Ad alcuni di voi forse sarà capitato di scovare qualche spiga “alternativa”, marrone per esempio, o carbone, oppure dai colori giallo e bruno alternati:

United Colours of Zea Mays. Queste pannocchie provengono dal Perù.
United Colours of Zea mays.
(dal Perù)

 

Contrariamente al credo comune, il mais non è solo “giallo”. D’altronde, nemmeno i pomodori sono solo rossi [1] o le carote solo arancioni [2]. Il mais però, come vedremo fra poco, esagera un poco e sa andare molto oltre nelle colorazioni.

Qui in Italia intanto si coltivano per esempio le varietà Biancoperla e l’Ottofile bruno di Antignano:

Agente K a rapporto. Non fate domande di cui non volete sapere la risposta.
Agente K a rapporto. Non fate domande di cui non volete sapere la risposta. Photo credits: Molinocereser
Questo spilungone invece è l'agente J. Ha problemi con le bambine bianche di otto anni nel cuore del ghetto che vagano sorridenti tra un mucchio di mostri di notte con dei libri sulla fisica quantistica.
Questo spilungone invece è l’agente J. Ha problemi con le bambine bianche di otto anni nel cuore del ghetto che vagano sorridenti tra un mucchio di mostri di notte con dei libri sulla fisica quantistica. Photo credits: Saidinitaly

 

Ogni chicco di mais consiste in un piccolo “frutto”, chiamato dai botanici cariosside, che una volta giunto a maturazione non si apre per dischiudere il suo unico grosso e duro seme, chiamato germe (o embrione). I due sono fusi in modo che è difficile concepirli separatamente. Ogni “frutto” proviene da un singolo ovario e sempre come ci insegnano i botanici è costituito, semplificando, da tre strati principali: il pericarpo che ricopre l’intera cariosside; l’endosperma all’interno dove si accumulano amido e proteine; infine il germe nel cuore del chicco, per l’appunto.

Il colore del chicco è dovuto a pigmenti che si accumulano soprattutto nella parte interna, ma in una certa quantità anche nel sottile strato esterno.

Quando vediamo delle spighe con colori che virano dal giallo sabbia al bronzeo o all’arancio/rossiccio, è principalmente per una tipologia di pigmenti nota come carotenoidi [3], di cui un esponente diffuso nel mais è una simpatica molecola chiamata zeaxantina [4].

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Esistono anche altri pigmenti, come le antocianine (che danno tonalità dal rosa al porpora al blu/violetto) o i flobafeni (che sono sul rosso e sul magenta).

Se ricordate le puntate della storia della genetica su Minerva [5], le caratteristiche di un organismo, come la produzione di un particolare pigmento, corrispondono all’azione di uno o più geni ereditati seguendo particolari meccanismi (con le loro eccezioni). Per ogni carattere per cui questi geni “codificano” ne esistono varietà dette alleli (per esempio, due diversi colori per fiori o semi) ed essi, ci dicono i genetisti, possono esprimersi o non esprimersi.

I pigmenti possono sovrapporsi fra di loro, come nella tavolozza di un pittore. Immaginiamo per esempio che il sottile pericarpo produca un pizzico di rosso, mentre l’endosperma del giallo in abbondanza, vedremo dei chicchi ambrati.

Come già detto, ogni chicco deriva da un singolo ovario della pianta. Sono geneticamente distinti tra di loro, così come tutti gli ovuli o gli spermatozoi di una persona. Se ci passate il paragone, i chicchi del mais sono tutti un po’ come dei gemelli eterozigoti. E così come due fratelli possono avere occhi o capelli di colore diverso, anche i chicchi di mais possono presentare colorazioni differenti sulla stessa spiga.

Ciò spiega il perché negli esempi di sopra abbiamo pannocchie carbone, biancastre, giallo oro, ma anche con chicchi che si alternano: sabbia, bruni, ocra, arancio e così via. Ogni chicco ha i propri geni e i propri alleli, così in mezzo a tanti chicchi bruni possono saltar fuori dei biondini.

In tutto quel che abbiamo detto, però, non si capisce ancora cosa c’azzecchino questi misteriosi “elementi genici trasponibili” o qualunque diavoleria essi siano, che abbiamo menzionato inizialmente.

La ricercatrice che scoprì tutto questo è famosissima fra i biologi in generale, ma abbastanza sconosciuta al di fuori dell’ambiente: Barbara McClintok. Ella negli anni ’50, in un’epoca di grande fermento per gli studi di genetica (la struttura del DNA sarebbe stata modellizzata di lì a breve), presso il Carnegie Institute, stava analizzando sui vetrini i cromosomi di un mais particolare: i chicchi non avevano una colorazione uniforme, presentavano chiazze o “spruzzi” di varia pigmentazione in un campo biancastro (o meglio, incolore), oppure il contrario (spruzzi incolore su fondo colorato).

Eccone un esempio, varietà Catseye:

Sembrano pietruzze da collanina, vero?
Sembrano pietruzze da collanina, vero? Photo credits: user Tomotoene via Reddit

 

Ed ecco una versione più “dalmata”:

Questa foto comunque viene da una ricerca pubblicata su Nature.
Copyright: Nature Publishing Group, Freschotte et al. (2002), fair use only

 

Barbara notò che, di generazione in generazione, i cromosomi sembravano presentare delle alterazioni, di pari passo con i cambiamenti nelle macchie dei chicchi.
Era sistematico: i “bracci” dei cromosomi presentavano rotture o presenza di geni che prima erano altrove, quando comparivano le macchie, come se si fosse aggiunto un pezzo, che evidentemente doveva contenere un gene responsabile della “macchia”.  Ad ogni generazione, questi frammenti si staccano dalla loro posizione del DNA, come se venissero tagliati da delle forbici, per poi venire ricuciti in altri punti del DNA in cui continuano ad esprimere le loro funzioni.

Barbara chiamò questi geni trasposoni e fu una rivoluzione perché fino a quel momento i genetisti erano ferreamente convinti che i geni permanessero nel cromosoma immobili [6].

Barbara McClintock (1902-1992)
Barbara McClintock (1902-1992)

 

Barbara non conosceva ancora la struttura e composizione del DNA, ma intuì che in alcune cellule, durante lo sviluppo del germe, i trasposoni potessero sovrapporsi ad altri geni, come quelli per la produzione di un pigmento, e disattivarli (o meglio “silenziarli”). La cellula a sua volta si moltiplica, distribuendo il proprio gene disattivato in una zona di chicco di cellule figlie, senza pigmentazione, ottenute per divisione cellulare dalla “madre”.

Oppure, se il trasposone si è inserito all’inizio dello sviluppo del germe, mentre il chicco sta ancora crescendo, alcune cellule potrebbero vedere i propri trasposoni saltare ulteriormente da un’altra parte, riattivando la produzione di colore in alcune zone di un chicco pallido.

Ecco spiegata così la presenza di macchie pigmentate nei chicchi.

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Il microscopio utilizzato da Barbara McClintock e alcune delle spighe dei suoi studi.

 

E’ sottinteso che un trasposone potrebbe rimanere e silenziare i geni di un pigmento fin dal principio, impedendo in toto che venga prodotto. Molte varietà di mais variano colore nei chicchi anche perché i trasposoni impediscono che un determinato pigmento venga espresso, per poi magari alla generazione successiva capovolgere tutto. Anche Barbara notò cambiamenti del genere fra le generazioni nelle sue spighe.

Silenziando la produzione di tutti i carotenoidi, l’endosperma dovrebbe risultare pallido. A meno che non vengano prodotti flobafeni e antocianine in abbondanza, dando risultati diversi da chicco a chicco:

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Mais calico (Zea mays var. indurata). Notare le spighe Barbie. Photo credits: dechamp02, via Pinterest

 

Se i flobafeni vengono espressi in maniera straripante, sia nell’endosperma che nel pericarpo, mentre il resto viene silenziato, possiamo ottenere prima la varietà Cranberry di mais che sembra composta da chicchi di melograno, e poi la Kwanza, decisamente scura che sembra quasi di liquirizia

Se l’endosperma produce invece giallo/arancio in abbondanza mentre il pericarpo vi depone sopra dei flobafeni porpora, otterremo la varietà Go-Blue di mais:

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Hopi Go-Blue Maize. Photo credits: Kim Thigpen, via Pinterest

 

Occasionalmente, i trasposoni potrebbero silenziare i geni responsabili della produzione dei flobafeni, facendo tornare semi gialli:

Mais squaw. Quanti di voi prima di leggere questo articolo avrebbero pensato che è strano, guasto o altro?
Mais squaw. Quanti di voi prima di leggere questo articolo avrebbero pensato che è strano, guasto o altro? Image credits: user Dennistow, via Reddit

 

Ciò può essere anche sfruttato per una gamma di incroci che può risultare molto divertente [7].

 

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Vari incroci di mais calico (Zea mays var. indurata).  Photo credits: Sam Fentress, CC BY-SA 2.0 via Wikimedia Commons

 

La cosa fenomenale però è che il mais sa essere davvero un artista a suo modo e può manifestare contemporaneamente una gamma ampissima di colori: blu, rosso, rosa, verde… traslucido o opaco, brillante o spento; gioca a fare un po’ l’Arlecchino del regno vegetale.

Non ci credete?

Beh rifatevi gli occhi con questo vero e proprio mais di carnevale:

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Photo credits: Nativeseeds.org
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Photo credits: Nativeseeds.org

 

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Photo credits: Nativeseeds.org

 

Questa varietà di granturco si chiama gemma di vetro (“glass gem corn”) e i chicchi sembrano più Smarties che mais – o cocci di vetro colorato, rimanendo fedeli al nome. Questa tipologia di mais è stata ottenuta, dopo un paziente lavoro di selezione ed incroci, da un agricoltore americano, Carl Barnes, di origini cherokee [8].

Ad ogni modo, la sua ditta commercia semi di ogni tipologia, dal blu elettrico carico di antocianine al viola misto passando per un giallo semitrasparente con un leggero tocco di carotene. Chicchi vitrei o dai colori pieni, spighe uniformi o arlecchinesche.

In tutto e per tutto fatto dalla natura, visto che qualcuno sui social network tende a scambiarli per OGM.

E sono tutti risultati visivamente sbalorditivi.

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All photos are credits from Nativeseeds.org

Le piante non sono le sole a possedere trasposoni. Anche gli esseri umani ne posseggono [9]. Ed anche i microrganismi, compresi molti patogeni, che sfruttano il “salto di geni” per sfuggire al sistema immunitario e propagare il proprio genoma.
Un esempio classico è Neisseria gonorrhoeae, sgradito ospite delle nostre parti intime. Ma nell’ambito delle biotecnologie, quando si parla di “spostare il DNA”, più che i trasposoni sono noti i plasmidi, come quello di Agrobacterium tumefaciens, che in maniera simile si inseriscono nel DNA e che si usano nell’ingegneria genetica per inserire geni di interesse.

Di questo però parleremo un’altra volta.

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Approfondimenti:

  1. Anthony J.F. Griffiths et al.Genetica, principi di analisi formale
  2. Walker Wilson – Biochimica e biologia molecolare
  3. Peter J. Russel – Genetica, un approccio molecolare

 

Note:

[1] La mela dorata che ha fondato la gastronomia italiana 

[2] Dario Bressanini – Carote biodiverse

[3] Il nome viene per l’appunto dalla carota, che deve il suo colore ad essi. A questa classe di pigmenti appartiene anche il beta-carotene (sigla come additivo E160a), da cui deriva l’acido retinoico o vitamina A (essenziale per l’organismo), non di meno importante per la colorazione del mais. O del tuorlo d’uovo, agrumi e vari prodotti alimentari. I carotenoidi inoltre vengono utilizzati dalle piante per eseguire la fotosintesi ad un differente spettro luminoso rispetto alla clorofilla (proteggendola anche dai raggi più energetici e dall’ossidazione) e sono quel che rimane quando le foglie ingialliscono o arrossano d’autunno.

[4] per la precisione la zeaxantina è una xantofilla, una sottoclasse dei carotenoidi, di colore giallo-arancio e ugualmente diffusissima come pigmento di mais (da cui prende il nome), uova, frutti e nell’industria alimentare (E161h) e cosmetica.

[5] http://noidiminerva.wordpress.com/2013/11/08/la-storia-della-genetica-1-mendel-e-leredita-dei-caratteri/

[6] All’inizio gli studi di Barbara, per quanto impeccabili, non vennero molto accettati, anche perché gli altri laboratori faticavano a riconoscere i cambiamenti nella lunghezza dei cromosomi che l’americana riusciva a notare, ma in pochi anni dovettero ammettere l’esistenza dei trasposoni e a Barbara venne conferito un meritato premio Nobel.

[7] Il mais che troviamo al supermercato è diciamo una “forzatura” genetica, sono stati selezionati chicchi capaci di produrre carotenoidi gialli e nient’altro, per donare una colorazione uniforme. In realtà le varietà multicolour (a parte il glass gem) sono molto più “originali” di quello che certe associazioni bollano come “tipicità tradizionale” se non peggio.

[8] http://www.nativeseeds.org/community/199-the-story-of-glass-gem-corn-beauty-history-and-hope

[9] http://www.ilsussidiario.net/News/Scienze/2010/1/27/SCOPERTA-Evoluzione-la-proteina-che-zittisce-i-geni-mobili/63675/

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