I frutti delle piante Solanum, un gruppo della famiglia della belladonna, sono incredibilmente diversi e vanno dai considerevoli pomodori rossi e melanzane viola alle bacche verdi velenose sulle piante di patate. Un nuovo e migliorato albero genealogico di questo gruppo, prodotto da un team internazionale guidato da ricercatori della Penn State, aiuta a spiegare la sorprendente diversità di colori e dimensioni dei frutti e come potrebbero essersi evoluti.
Il team ha scoperto che la dimensione e il colore dei frutti si sono evoluti insieme e che gli animali mangiatori di frutta non erano i fattori principali dell’evoluzione dei frutti, come si pensava in precedenza. Lo studio, pubblicato sulla rivista New Phytologist,
potrebbe anche fornire informazioni sulla selezione di piante importanti dal punto di vista agricolo con caratteristiche più desiderabili, hanno affermato i ricercatori.
I frutti delle piante del genere Solanum sono incredibilmente diversi per colore e dimensioni. Un nuovo albero genealogico di questo genere, creato da un team guidato da ricercatori della Penn State, aiuta a spiegare questa sorprendente diversità e come i frutti potrebbero essersi evoluti.
CREDITO
João Vitor Messeder / Penn State
“Ci sono circa 1.300 specie nel genere Solanum, che lo rendono uno dei generi di piante più diversificati al mondo”, ha affermato João Vitor Messeder, studente laureato in ecologia e biologia presso il Penn State Eberly College of Science e Huck Institutes for the Life. Scienze e autore principale dell’articolo. “Fin dagli anni ’70 e ’80, i ricercatori hanno suggerito che gli uccelli, i pipistrelli e altri animali che si nutrono di frutta hanno guidato l’evoluzione dei frutti come quelli del Solanum. Tuttavia, l’importanza della storia evolutiva delle piante è stata sottovalutata o raramente considerata quando si valuta la diversificazione dei frutti carnosi. Per testare meglio questa ipotesi, dovevamo prima produrre una filogenesi, o albero genealogico, più robusta di questo gruppo di piante per migliorare la nostra comprensione delle relazioni tra le specie».
Le piante del genere Solanum producono frutti con un’ampia varietà di dimensioni, colori e valori nutrizionali. Possono apparire neri, viola, rossi, verdi, gialli o arancioni e hanno dimensioni variabili da meno di un quarto di pollice fino a 8 pollici o da 0,5 a 20 centimetri. Oltre alle piante importanti dal punto di vista agricolo, alcune piante del gruppo vengono coltivate per i loro fiori ornamentali e i frutti di molte di queste piante vengono mangiati dall’uomo e da una grande varietà di animali, inclusi uccelli, pipistrelli, rettili, primati e altri mammiferi terrestri. .
I ricercatori hanno raccolto campioni di piante provenienti da tutto il mondo, comprese piante selvatiche provenienti da Brasile, Perù e Porto Rico e piante provenienti da giardini botanici, e hanno sequenziato i loro geni dall’RNA. Hanno integrato campioni precedentemente raccolti e dati disponibili al pubblico, confrontando infine le sequenze di 1.786 geni da un totale di 247 specie per ricostruire l’albero genealogico del Solanum. Ciò includeva rappresentanti di tutti i 10 cladi maggiori – i rami dell’albero – e 39 dei 47 cladi minori all’interno del genere.
“Utilizzando migliaia di geni condivisi tra specie che rappresentavano effettivamente l’intero genere, abbiamo migliorato significativamente l’albero genealogico dei Solanum, rendendolo il più completo fino ad oggi”, ha affermato Messeder, che ha condotto la ricerca nel laboratorio di Hong Ma, Huck Chair in Sviluppo ed evoluzione riproduttiva delle piante e professore di biologia alla Penn State e co-autore corrispondente dell’articolo. “I recenti progressi tecnologici ci hanno permesso di utilizzare più geni rispetto agli studi precedenti, che hanno dovuto affrontare molte sfide nella risoluzione delle relazioni tra specie e cladi. Questo albero migliorato ci aiuta a capire quando hanno avuto origine i diversi colori e dimensioni dei frutti o come sono cambiati con la nascita di nuove specie vegetali».
I ricercatori hanno aggiunto una notevole risoluzione dei rami più piccoli del gruppo che comprende patate e pomodori, nonché delle specie selvatiche strettamente e più lontane. Le conoscenze acquisite, hanno affermato i ricercatori, potrebbero sostenere programmi di miglioramento delle colture per queste specie e altre colture dello stesso genere.
“Se i parenti selvatici più prossimi di importanti colture agricole hanno caratteristiche desiderabili, è possibile incrociare colture con quelle specie o prendere in prestito i loro geni, ad esempio per migliorare la resistenza alla temperatura o ai parassiti o per produrre frutti più grandi o di un certo colore”, Ha detto Messeder.
I ricercatori hanno scoperto che il colore e le dimensioni dei frutti del Solanum erano abbastanza conservati nel corso della storia evolutiva, il che significa che specie strettamente imparentate tendono ad avere frutti simili. Anche l’evoluzione del colore e delle dimensioni del frutto è correlata, con i cambiamenti in un tratto spesso corrispondenti a cambiamenti nell’altro, portando i frutti di certi colori ad essere più grandi dei frutti di altri colori.
“Questi risultati suggeriscono che i meccanismi fisiologici e molecolari possono svolgere un ruolo nel mantenere legati insieme l’evoluzione del colore e delle dimensioni del frutto”, ha detto Messeder. “Mentre i frugivori – o animali che mangiano principalmente frutta – e i dispersori di semi possono influenzare la diversificazione, dobbiamo considerare tutte le possibilità quando studiamo come i frutti sono diventati così diversi”.
I ricercatori hanno anche chiarito l’origine e la cronologia della diversificazione di questo genere, in parte includendo informazioni recenti dal fossile più antico della famiglia delle solanacee – da un genere diverso della famiglia delle Nightshade il cui fossile è stato datato a circa 52 milioni di anni fa – e da particolari geni che stime migliorate della lunghezza dei rami evolutivi. I ricercatori hanno datato l’origine del Solanum a circa 53,1 milioni di anni fa, ben 30 milioni di anni prima rispetto alle stime precedenti basate su geni provenienti da altre parti della cellula vegetale. Ciò dipinge un nuovo quadro dell’ambiente che potrebbe aver modellato il modo in cui queste piante si sono diversificate in nuovi gruppi e specie.
“L’ambiente della Terra è cambiato radicalmente nel corso di 30 milioni di anni in termini di temperatura, anidride carbonica nell’atmosfera, geografia e diversità animale”, ha detto Messeder. “Ora che sappiamo quando hanno avuto origine il Solanum e i suoi sottogruppi, possiamo pensare alle condizioni che potrebbero aver promosso la diversificazione di quel gruppo, nonché al modo in cui altri organismi potrebbero aver avuto un ruolo”.
Il team ha scoperto che i primi membri del Solanum avevano bacche di medie dimensioni che rimanevano verdi una volta mature, e che i frutti verdi e gialli di questo gruppo divennero più diversificati circa 14 milioni di anni fa. I ricercatori hanno ipotizzato che i pipistrelli potrebbero aver avuto un ruolo in questa diversificazione, data la loro linea temporale evolutiva simile e che sono i principali disperdenti dei moderni frutti verdi e gialli del Solanum. Quando nuove specie di pipistrelli sorsero e si espansero dove vivevano in questo periodo, mangiarono i frutti di Solanum e trasportarono i loro semi in nuovi ambienti.
Successivamente, i ricercatori intendono esplorare come le moderne interazioni tra gli animali e il frutto che mangiano possano far luce sull’evoluzione di entrambi i gruppi, nonché esplorare l’evoluzione di alcuni geni rilevanti per il colore e la dimensione del frutto.
Oltre a Messeder e Ma, il gruppo di ricerca comprende Tomás Carlo, professore di biologia alla Penn State; Guojin Zhang, ricercatore post-dottorato presso la Penn State al momento della ricerca; Juan David Tovar presso l’Istituto Nazionale di Ricerca Amazzonica in Brasile; César Arana presso l’Università Nazionale di San Marcos in Perù; e Jie Huang e Chien-Hsun Huang presso l’Università Fudan in Cina.
Finanziamenti dalla Commissione Fulbright, dalla Fondazione CAPES in Brasile, dal Dipartimento di Biologia della Penn State, dall’Hill Memorial Fund del Pen State Eberly College of Science, dall’Associazione per la Biologia e la Conservazione Tropicale, dalla National Science Foundation degli Stati Uniti, dall’Associazione Internazionale per La tassonomia delle piante e la Society of Herbarium Curators hanno sostenuto questa ricerca.(30Science.com)
