Svelati i meccanismi di un'antica e continua corsa agli armamenti tra farfalle e piante

Le deliziose difese della coevoluzione: come i bruchi hanno creato i condimenti (VIDEO)

Le armi segrete dei cavoli sopraffatte dalla coevoluzione dei lepidotteri

[26 giugno 2015]

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Nello studio “The butterfly plant arms-race escalated by gene and genome duplications”, pubblicato su . Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, un team di botanici dell’università del Missouri e di biologi specializzati in lepidotteri dell’università di Stoccolma e del  Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie spiega come, utilizzando la genomica, è riuscito a rivelare i meccanismi di un’antica e continua corsa agli armamenti tra le farfalle e piante che si svolge in numerosi orti del mondo mentre i bruchi divorano le foglie del cavolo e di altre piante delle quali ci cibiamo.

Lo studio viene pubblicato a 50 anni dall’articolo di Paul Ehrlich e Peter Raven che ha formalmente introdotto il concetto di coevoluzione, prendendo ad esempio principale proprio le farfalle e le piante. Lo studio odierno non solo fornisce un supporto notevole alla teoria della coevoluzione, ma fornisce anche nuovi fondamentali elementi di una sua base genetica in entrambi i gruppi di organismi.

I ricercatori del Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie spiegano che la principale difesa chimica sviluppata delle piante di cavolo e dai suoi parenti appartenenti alla famiglia delle Brassicales «si basa su un sistema di attivazione a due componenti composti da precursori atossici (glucosinolati o oli di senape) ed enzimi vegetali (mirosinasi). Questi sono spazialmente separati nel tessuto sano, ma quando il tessuto viene danneggiato da insetti masticatori entrambi i componenti vengono mescolati e la cosiddetta “bomba ad olio di senape” viene innescata, producendo una serie di prodotti di decomposizione tossici».

Sono proprio questi i prodotti di degradazione che, in determinate concentrazioni (come nella senape),  piacciono tanto agli esseri umani, mentre sono un deterrente o sono addirittura tossici per alcuni erbivori. Ma alcuni insetti si sono specializzati nel mangiare le Brassicales  ed hanno trovato diversi modi per rendere innocue le loro difese. Tra questi insetti ci sono le pieridi, le farfalle cavolaie ed i loro parenti, che si sono addirittura specializzate in queste nuove piante ospiti poco dopo l’”invenzione” della sostanza chimica difensiva a base di glucosinolati  Insomma. Ora sapete che quando spalmate la senape sul vostro hotdog o il rafano sul vostro panino dovete ringraziare i bruchi se le piante hanno quel sapore in più

Confrontando le storie evolutive di queste piante e, i ricercatori hanno scoperto che i maggiori progressi nelle difese chimiche delle piante sono state seguiti dall’evoluzione di contro-tattiche da parte delle farfalle che hanno permesso loro di continuare a mangiare queste piante. Questa guerra chimica è andata avanti per circa 80 milioni di anni, portando alla formazione di diverse nuove specie, rispetto ad altri gruppi di piante senza glucosinolati ed ai loro erbivori. Così, il successo dell’adattamento ai glucosinolati ha portato questa famiglia farfalle a diversificare rapidamente e attualmente le pieridi sono oggi diffuse in tutto il mondo, con alcune specie che sono molto abbondanti. Mentre la maggior parte le farfalle di questa famiglia si nutre di  Brassicales, alcune continuano a mostrare una preferenza ancestrale per i legumi e non possono disintossicarsi dai glucosinolati. Invece altre specie di pieridi, a causa di eventi che hanno determinato una scarsità di  Brassicales,  ora si nutrono di altre piante ospiti come vischio.

Sequenziando i genomi di piante e farfalle, i ricercatori hanno scoperto la base genetica di questa corsa agli armamenti: sia nei vegetali che nei lepidotteri sono comparse nuove copie di geni, piuttosto che da semplici mutazioni puntiformi del DNA nelle piante e farfalle. Inoltre le specie di farfalle che prima avevano  sviluppato copie di geni adattati ai glucosinolati, quando sono passate a nutrirsi di piante non Brassicales, come i vischi, hanno mostrato un modello diverso: i geni responsabili degli “adattamenti alla senape” sono completamente scomparsi dai loro genomi e i ricercatori commentano: «Anche un adattamento al quale ci sono  voluti  80 milioni anni per evolversi, può essere scartato quando non è più necessario».

Le Brassicales hanno evoluto le difese a base di glucosinolat più o meno quando i dinosauri si sono estinti ed oggi hanno sintetizzato più di 120 tipi diversi di questi composti che risultano tossici per la maggior parte degli insetti, ma non per le cavolaie e per l’uomo. Per capire cosa è successo gli scienziati hanno analizzato il genoma delle 14 famiglie Brassicales, realizzando così un albero genealogico evolutivo nel corso dei millenni, vedendo dove si sono verificati importanti cambiamenti nelle strategie di  difesa. Questo albero genealogico è stato confrontato con l’albero genealogico di 9 di farfalle Pieridae, cmpresa la comune cavolaia. E’ così che il team internazionale di ricercatori ha identificato tre importanti ondate evolutive in oltre 80 milioni di anni, durante le quali le piante hanno sviluppato le difese e gli insetti hanno evoluto ripetutamente tattiche per neutralizzarle, confermando la teoria della coevoluzione: due specie possono influenzare  reciprocamente il loro sviluppo e la loro evoluzione.

Peter Raven, professore emerito del Missouri Botanical Garden, evidenzia che «Questa ricerca fornisce un notevole sostegno alle idee di Ehrlich e Raven pubblicate 50 anni fa. Abbiamo esaminato i modelli di 50 anni fa ed abbiamo trovato che le loro conclusioni che si sono rivelate corrette. La straordinaria varietà di strumenti analitici molecolari e di altro tipo applicati ora sotto la guida di persone come Chris Pires, fornisce una verifica e nuove intuizioni che allora non potevano nemmeno essere immaginati. Capire di più su come co-evolvono le piante e gli insetti potrebbe un giorno portare a progressi nell’agricoltura».

Chris Pieres, della Division of biological sciences dell’università del Missouri, conclude: «Se siamo in grado di sfruttare la potenza della genetica e determinare che cosa causa queste copie di geni, potremmo produrre piante che sono più resistenti agli insetti parassiti che si sono co-evoluti  con loro, si potrebbe aprire diverse strade per la creazione di piante e alimenti che crescano in modo più efficiente»

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