La terra chiamò, le piante risposero: una storia strabiliante dell'evoluzione

L’acqua. Fu un mondo di cellule solitarie all’inizio, il nostro. Poi, per opportunità e convenienze, l’aggregazione articolata e complessa, in forma di organismi, ha vinto la sfida evoluzionistica. Quella aggregazione pulsante si è, allora, addirittura concessa il lusso di scegliere: regnare esclusivamente su un universo blu o provare a scoprire un differente destino esistenziale? E’ una visione delle origini molto ben sedimentata in chiunque abbia incontrato le Scienze, nella propria vita. Invertebrati, vertebrati, animali e, da loro, noi. Ma le piante? Le minacciate decane del pianeta hanno, da sempre, vegliato sulla nostra strabiliante evoluzione come padrone di casa generose e silenziose. Ci sono sempre state?

Pioniere tenaci e coraggiose, le piante

La colonizzazione della terraferma da parte delle piante è stato un evento centrale nella storia della biosfera. Eppure, tuttora, non sono chiari i contorni evoluzionistici sottesi agli esiti viventi che abbiamo sotto gli occhi. I primi progenitori ancestrali, in comune tra il regno animale e vegetale, devono aver sperimentato modifiche ed innovazioni al programma biochimico dettato dal proprio corredo genetico. Altrimenti non si spiega il successo multiforme e persistente (Fig.1).

Figura 1 – I primi colossi verdi comparsi sulla Terra presentavano un complesso meccanismo di crescita, che garantiva loro di raggiungere dimensioni maestose. https://www.pnas.org/content/114/45/12009.short

In realtà, le piante sono, da sempre, coinvolte in intime relazioni con microrganismi del suolo in cui germogliano, per un certo numero di benefici: dalla conquista dei nutrienti quotidiani, alla resistenza a patologie, fino alla tolleranza allo stress. Ma studi recenti dimostrano chiaramente che un microbiota vegetale sia in grado di ampliare considerevolmente, nelle piante, competenze e capacità adattative ai cambiamenti ambientali.

Queste nuove consapevolezze rappresentano sia un punto di vista d’avanguardia sulla futura ottimizzazione delle rese agricole, sia un punto d’arrivo di un atavico viaggio di conquista, iniziato 580 milioni di anni fa.

La conquista della terra finanziata dai batteri

Era il 2006 quando il ricercatore Michael Melkonian durante un’escursione naturalistica a 50 km dalla Università di Colonia, in Germania, rinvenne una forma algale descritta fino a quel momento solo in un saggio di storia naturale francese del XIX secolo. Si trattava di un Mesostigma, organismo acquatico verde flagellato.

Le prime piante furono acquatiche ed erano rappresentate dalle alghe verdi.

Figura 2 – Evoluzione della complessità delle alghe verdi. A: Chlamydomonas reinhardtii, B: Gonium pectorale, C: Eudorina elegans, D: Pleodorina starrii, E: Volvox carteri, F: Volvox barberi. – https://frederikleliaert.wordpress.com/green-algae/phylogeny-and-molecular-evolution/

Nel suo ultimo studio, pubblicato pochi giorni fa su Cell, Melkonian e colleghi hanno condotto analisi filogenetiche su specie algali per valutare quali di queste presentassero caratteristiche genetiche più simili alle piante terrestri. Si cercava una derivazione, dunque, tra specie algali e specie vegetali terrestri, per tratteggiare una sequenza di eventi evolutivi e spiegarsi la loro esistenza “emersa” (Fig.2).

Studio filogenetico preliminare

Il gruppo di organismi più prossimo alle piante terrestri, dette Embryophyte (Fig.3), è risultato essere quello delle Zygnematophyteae (Fig. 4). I ricercatori, allora, hanno analizzato i corredi genetici di due delle prime ramificazioni evolutive divergenti di Zygnematophyteae, cioè Spirogloea muscicola e Mesotaenium endlicherianum. Esse condividevano, secondo lo studio, lo stesso habitat subaereo terrestre con le prime Embryophite terrestri divergenti, cioè le Bryophite.

Dai dati genetici raccolti, i ricercatori hanno potuto dimostrare che i geni GRAS e PYR/PYL/RCAR, con funzione di potenziare la resistenza delle piante a stress biotici e abiotici (come il disseccamento), provenissero da un progenitore ancestrale in comune tra le due. Ancora prima, però, evidentemente, tali geni altamente conservati erano nel corredo genetico di batteri del suolo. Proprio così. Con gran sorpresa degli studiosi, le piante, che presero felice possesso di ogni areale terrestre, hanno inizialmente conquistato la terraferma grazie ad una commistione genetica con batteri “di terra” (Fig.5).

Le piante emergendo dalle acque e colonizzando la terraferma si sono differenziate in straordinarie specie resilienti ai cambiamenti climatici.

Fig.5 – Graphical Abstract – https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0092867419311699

Tecnicamente si è trattato di un trasferimento genetico orizzontale (HGT), tra specie diverse, ma sarebbe più suggestivo pensare ad un grazioso invito verso terra dei batteri rivolto alle piante acquatiche. Una conquista territoriale, dunque, finanziata dai pionieri microscopici per eccellenza.

Il trasferimento orizzontale che cambiò il volto della nuda Terra

Il trasferimento orizzontale tra organismi non connessi da alcuna discendenza e di specie diverse è, normalmente, reso possibile da elementi genetici mobili di varia natura: plasmidi, trasposomi, fagi.

I plasmidi sono costituiti da materiale genetico extra-cromosomico, presente nel mezzo di crescita cellulare, che si trasmette per trasformazione. I trasposomi, invece, sono definiti anche “jumping genes” (“geni saltatori”), poichè, per coniugazione temporanea tra due cellule, si posizionano in vari punti degli altrui DNA. Il meccanismo è definito del tipo “copia-incolla” (Fig.6)

Le piante che sono emerse dalle acque hanno acquisito "geni saltatori"proveninti da genomi batterici di microrganismi terrestri.

Figura 6 – Barbara McClintock, scienziata americana che scoprì i trasposomi nel mais, ottenendo il Nobel per la Fisiologia e la Medicina nel 1983.

Infine, i fagi (o batteriofagi) cioè i virus dei batteri, trasmettono il proprio DNA ad una cellula estranea per trasduzione.

La coniugazione che unì acqua e terra

In ogni caso, il trasferimento orizzontale ha giocato un ruolo a dir poco cruciale nell’adattamento e nell’evoluzione di molte forme di vita.

Essendo i batteri evolutivamente più antichi, però, i ricercatori hanno concluso che geni batterici siano “saltati” all’interno del DNA delle alghe. Il corredo genetico di un progenitore verde ancestrale avrebbe, infatti, accolto geni alieni di batteri residenti nelle terre limitrofe ai bacini idrici. Questo arricchimento del corredo genetico sarebbe stato responsabile dell’emersione delle piante dalle acque.

Le piante conquistarono la terraferma con l’identità intatta

L’affermazione sperimentale di un trasferimento genico orizzontale, per spiegare la diffusione di caratteri e competenze interspecifiche, viene, di solito, liquidato come una mera forma di “contaminazione” del DNA originario. Una collaborazione tra Melkonian ed il genetista Gane Ka-Shu Wong dell’Università di Alberta (Fig.7-8 ), invece, ha chiarito la disputa.

I dati che ne sono derivati hanno accertato una estrema purezza genetica delle piante neo-terrestri.

Le piante sono restate piante, senza alcuna alterazione d’identità, se non in forma di nuove doti di resilienza. Fondamentali, per ogni conquistatore di Nuovi Mondi che si rispetti.