Il genoma del rabarbaro nobile (Rheum nobile), pianta in serra, fornisce una finestra sull'adattamento alpino

Aug 22, 2023

Biologia delle comunicazioni volume 6, numero articolo: 706 (2023) Citare questo articolo

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Le piante in serra sono specie che intrappolano il calore attraverso una morfologia e una fisiologia specializzate, imitando una serra umana. Nella regione alpina himalayana, la morfologia altamente specializzata delle serre si è evoluta in modo indipendente in linee distinte per adattarsi all’intensa radiazione UV e alle basse temperature. Qui dimostriamo che la struttura della serra – foglie cauline specializzate – è altamente efficace nell’assorbire la luce UV ma trasmette la luce visibile e infrarossa, creando un microclima ottimale per lo sviluppo degli organi riproduttivi. Riveliamo che questa sindrome della serra si è evoluta almeno tre volte in modo indipendente nel genere Rheum del rabarbaro. Riportiamo la sequenza del genoma della pianta di serra di punta Rheum nobile e identifichiamo i principali moduli della rete genetica in associazione con la transizione morfologica verso foglie di serra specializzate, tra cui la biogenesi attiva della parete cellulare secondaria, la biosintesi della cutina cuticolare sovraregolata e la soppressione della fotosintesi e della biosintesi dei terpenoidi. La distinta organizzazione della parete cellulare e lo sviluppo della cuticola potrebbero essere importanti per le proprietà ottiche specializzate delle foglie delle serre. Troviamo anche che l’espansione degli LTR ha probabilmente svolto un ruolo importante nell’adattamento del rabarbaro nobile agli ambienti ad alta quota. Il nostro studio consentirà ulteriori analisi comparative per identificare la base genetica alla base della comparsa convergente della sindrome della serra.

Il sollevamento terziario e quaternario delle montagne ha esposto gli organismi a condizioni alpine impegnative e ha accelerato l'evoluzione del biota alpino1,2. Le piante hanno risposto ai duri ambienti alpini con un alto grado di specializzazione1,3, dando vita a diverse forme di vita tra cui piante cuscino, rosette giganti e piante grasse3. Nelle regioni dell'Himalaya, la zona alpina temperata più ricca di specie del mondo, morfologie specializzate si sono evolute in risposta a condizioni ambientali ostili tra cui bassa temperatura, elevata radiazione solare, forti venti e una breve stagione di crescita1. Le morfologie specializzate includono piante lanose (piante ricoperte da fitti peli lanosi), piante annuenti (piante con fiori rivolti verso terra) e piante di serra. Le piante in serra sono forse le più sorprendenti, con infiorescenze riparate da foglie semitrasparenti che creano un interno più caldo e possono essere paragonate al vetro di una serra4,5,6. La pianta alpina himalayana più importante è il rabarbaro nobile [Rheum nobile Hook.f. & Thomson, Polygonaceae)], che è la pianta da serra più adatta ad altitudini elevate (>4000 m)7.

A differenza dei concorrenti simpatrici, che generalmente sono nani o prostrati, il rabarbaro nobile durante la fioritura cresce fino a 2 m di altezza, rendendolo molto visibile nella regione alpina. Si presumeva che la notevole morfologia simile a una serra fosse essenziale affinché le piante potessero far fronte alle basse temperature e alle forti radiazioni UV ad alta quota8,9,10. Si è scoperto che questo tratto adattativo è importante anche per il mutualismo tra le piante e i moscerini del fungo Bradysia impollinatori che consumano semi, fornendo riparo per l'ovideposizione degli adulti e lo sviluppo delle larve11,12,13.

Chiarire le basi genetiche dei tratti adattativi è un obiettivo centrale della genetica evolutiva14. La modificazione genomica associata all'adattamento alle alte quote è stata ben documentata negli animali15 ma è stata meno esplorata nelle piante a causa dell'elevata diversità della flora alpina. Ma in quanto piante iconiche del paesaggio alpino, le piante di serra sono diventate il fulcro di maggiori interessi ecologici ed evolutivi8,10,12,13,16,17,18,19. Studi sulla funzione ecologica delle strutture specializzate delle piante alpine, come la chioma fogliare a cuscino20,21,22,23, le foglie pelose e le infiorescenze24,25,26, le brattee frondose8,12,13 e i capolini annuenti27,28 hanno rivelato che questi tratti sono particolarmente efficienti nell’intrappolare il calore. Ad esempio, la temperatura all'interno della chioma fogliare della pianta cuscino Silene acaulis (L.) Jacq. è tipicamente 15°C più alta della temperatura ambiente durante le limpide giornate estive20. Tali benefici termici sono essenziali per la crescita, lo sviluppo, il metabolismo e la riproduzione delle piante che popolano gli ambienti costantemente freddi e ventosi delle regioni alpine25. Inoltre, si ritiene che l'orientamento verso il basso dei fiori e delle foglie a forma di serra sia utile per proteggere le parti riproduttive sensibili dalle radiazioni UV e dai frequenti temporali10,12,13,27,28,29. Nonostante i grandi progressi verso la comprensione dell’ecologia funzionale di questi estremofili, la base genetica che facilita il loro affascinante adattamento è poco conosciuta, a causa della mancanza di informazioni genomiche.