Epigenetica: un pioppo di 330 anni racconta la sua vita
Simile alle mutazioni genetiche, i cambiamenti epigenetici, cioè le alterazioni dei geni che non si verificano sulla sequenza primaria del DNA, a volte si verificano in modo casuale nelle piante e possono essere trasmessi nel corso delle generazioni. Usando gli alberi come esempio, un team di ricerca ha ora dimostrato per la prima volta che tali "epimutazioni" aumentano continuamente nel corso della vita di una pianta e possono essere utilizzate come un orologio molecolare per determinare l'età di un albero.
L'epigenetica studia i cambiamenti ereditabili nell'attività dei geni che non sono basati su cambiamenti nella sequenza primaria del DNA. "Mentre nei mammiferi i segni epigenetici sono normalmente resettati ad ogni generazione, questo non è sempre il caso nelle piante. I cambiamenti epigenetici all'interno di una generazione possono essere trasmessi stabilmente alla generazione successiva nelle piante e persino ereditati per molte generazioni", dice Frank Johannes, professore di epigenetica della popolazione ed epigenomica all'Università Tecnica di Monaco (TUM).
Il suo team di ricerca è interessato a quanto spesso le epimutazioni si verificano nei genomi delle piante, quanto sono stabili attraverso le generazioni e se possono influenzare importanti tratti delle piante.
Gli alberi portano molte epimutazioni
"A causa della loro longevità, gli alberi possono fornirci intuizioni epigenetiche su grandi periodi di tempo", dice Prof. Johannes. Insieme a Robert J. Schmitz, professore all'Università della Georgia (USA) e Hans Fisher Fellow all'Istituto di Studi Avanzati di TUM (TUM-IAS), ha pubblicato due studi sull'argomento.
Il team si è concentrato su un pioppo di 330 anni. Hanno confrontato la metilazione del DNA, un meccanismo nelle piante che rappresenta un cambiamento chimico nel DNA, nelle foglie di diversi rami dell'albero. Sono stati in grado di dimostrare che i cambiamenti epigenetici aumentano continuamente a seconda dell'età dell'albero. Più distanti erano due foglie l'una dall'altra in relazione al periodo di sviluppo del ramo, meno erano simili tra loro a livello di metilazione del DNA. I ricercatori hanno concluso che il tasso di epimutazioni per anno è circa 10.000 volte superiore al tasso di mutazione genetica nello stesso albero.
Età dell'albero databile con l'epigenetica
Da questa scoperta è nata l'intuizione che le epimutazioni possono anche servire come una sorta di orologio molecolare per determinare l'età dell'albero. "Solo alcuni rami erano stati datati contando gli anelli degli alberi, ma purtroppo non il tronco principale. Ma avevamo bisogno di queste informazioni per la nostra analisi. Così abbiamo trattato l'età complessiva dell'albero come un parametro sconosciuto e abbiamo lasciato che i dati di metilazione del DNA delle foglie ci dicessero quanto è vecchio l'albero. Questo ha portato a una stima di circa 330 anni", riferisce il Prof. Johannes.
Si è poi scoperto che questa stima era coerente con la datazione basata sul diametro del tronco principale e con altre informazioni sulla storia della vita di questo particolare albero. "Questa è stata la prima indicazione che esiste una cosa come un orologio epigenetico negli alberi".
Una finestra sul passato
Il team del Prof. Johannes sta ora studiando la questione se i cambiamenti ambientali sperimentati dagli alberi nel corso della loro lunga vita lasciano firme epigenetiche che possono essere lette per conoscere il loro passato.
"Il nostro obiettivo è quello di unire i dati ambientali storici con il nostro lavoro epigenetico per capire se gli alberi "registrano" epigeneticamente specifiche sfide ambientali come la siccità o le fluttuazioni di temperatura. Questo tipo di informazioni può essere utile per guardare al futuro, soprattutto di fronte al cambiamento climatico globale".
Pubblicazioni:
Brigitte Hofmeister; Johanna Denkena; Maria Colome-Tatche; Yadollah Shahryary; Rashmi Hazarika; Jane Grimwood; Sujan Mamidi; Jerry Jenkins; Paul Grabowski; Avinash Sreedasyam; Shengqiang Shu; Kathleen Lail; Anna Lipzen; Catherine Adam; Kerrie Barry; Rotem Sorek; David Kudrna; Rod Wing; Talag Jayson; David Hall; Daniel Jacobson; Gerald Tuskan; Jeremy Schmutz; Frank Johannes; Robert J Schmitz: Un assemblaggio del genoma e il tasso di mutazione genetica ed epigenetica somatica in un Populus trichocarpa selvatico perenne e longevo. Genome Biology, 21, 259 (2020). DOI: 10.1186/s13059-020-02162-5
Yadollah Shahryary; Aikaterini Symeonidi; Rashmi R Hazarika; Johanna Denkena; Talha Mubeen; Brigitte Hofmeister; Thomas van Gurp; Maria Colomé-Tatché; Koen Verhoeven; Gerald Tuskan; Robert J Schmitz; Frank Johannes: AlphaBeta: inferenza computazionale dei tassi e degli spettri di epimutazione da dati di metilazione del DNA ad alto rendimento nelle piante. Genome Biology, 21, 260 (2020). DOI: 10.1186/s13059-020-02161-6
Più informazioni:
In un progetto di follow-up in corso, Frank Johannes sta lavorando con Hans Pretzsch, professore di scienza della crescita delle foreste al TUM, insieme. La sua cattedra guida un esperimento di faggio europeo nello Steigerwald/Germania centrale, dove i singoli alberi sono stati osservati da vicino fin dal loro primo impianto nel 1870. Per questi alberi sono disponibili dati dettagliati sulla crescita e sul clima. Ora stanno studiando la questione se e come la storia dello sviluppo di questi alberi può essere ricostruita usando misure epigenetiche.
