Gli scienziati scoprono i segreti del DNA per migliorare i tratti delle colture di mais
La scoperta potrebbe consentire agli scienziati di utilizzare nuove tecnologie per migliorare il mais, rendendolo più resistente e produttivo
Un team di scienziati della Rutgers University-New Brunswick ha svelato alcuni segreti del DNA del mais, rivelando come specifiche sezioni di materiale genetico controllino tratti vitali come l'architettura della pianta e la resistenza ai parassiti. La scoperta potrebbe consentire agli scienziati di utilizzare nuove tecnologie per migliorare il mais, rendendolo più resistente e produttivo.
In un articolo pubblicato sulla rivista scientifica Nature Plants, i ricercatori hanno descritto il punto in cui alcune proteine, chiamate fattori di trascrizione, si attaccano al DNA delle piante di mais e come questo attaccamento modifichi l'attivazione o la disattivazione dei geni in un particolare tessuto. I ricercatori hanno esaminato due linee di mais e hanno riscontrato grandi differenze in questi punti della sequenza del DNA, che secondo loro potrebbero aiutare a spiegare perché le piante hanno un aspetto e un comportamento diverso.
"In questo lavoro abbiamo scoperto dove i fattori di trascrizione si legano nel genoma e quindi influenzano l'espressione dei geni del mais", ha dichiarato Andrea Gallavotti, professore presso il Waksman Institute of Microbiology e autore dello studio. "È importante notare che l'analisi è stata condotta su due linee di mais distinte che si differenziano per molti tratti, tra cui la resistenza alle malattie e l'architettura".
In Nord America, "mais" e "granturco" si riferiscono allo stesso cereale. Tuttavia, "mais" è il termine più riconosciuto a livello internazionale e scientificamente preferito, ha detto Gallavotti, anche professore presso il Dipartimento di Biologia Vegetale della Rutgers School of Environmental and Biological Sciences.
Il mais tocca molti aspetti della vita quotidiana in tutto il mondo. È un alimento base per molte culture del mondo ed è ricco di carboidrati, fibre, vitamine e minerali. Ha anche importanti applicazioni industriali: è usato come mangime per il bestiame, per la produzione di plastiche biodegradabili, adesivi e tessuti e per produrre etanolo.
La ricerca è frutto di una collaborazione tra gli scienziati della Rutgers e della New York University, guidati da Shao-shan Carol Huang, e di altre istituzioni, che si concentrano sulla ricerca del genoma del mais, estremamente complesso e di grandi dimensioni. Questa collaborazione è stata fondamentale per far progredire la comprensione di ciò che regola quando e dove i geni vengono attivati e disattivati nel mais, ha detto Gallavotti.
Il team ha iniziato cercando di capire meglio come i fattori di trascrizione modulano i geni del mais, regolando o controllando il loro livello di attività. Setacciando una grande quantità di dati bioinformatici, hanno creato una mappa dei siti di legame dei fattori di trascrizione nel genoma del mais. I fattori di trascrizione si legano a parti speciali del DNA del mais chiamate regioni cis-regolatorie.
Una volta ottenute queste informazioni, i ricercatori hanno potuto confrontare i siti di legame tra le diverse linee di mais per comprenderne le variazioni. Nello studio il team ha confrontato due diversi tipi di piante di mais, B73 e Mo17.
"Abbiamo scoperto che ci sono grandi differenze nei punti in cui i fattori di trascrizione si legano e nell'organizzazione di queste regioni cis-regolatorie nei due tipi di mais", ha detto Gallavotti. "Queste differenze influenzano l'espressione genica e i tratti che ne derivano sono un'importante fonte di variazione nel mais".
Utilizzando uno strumento biologico estremamente preciso noto come CRISPR-Cas9, il team ha modificato alcune di queste regioni del DNA e ha studiato gli effetti delle modifiche sulla pianta, compreso un gene che regola la resistenza ai vermi della spiga.
CRISPR è l'acronimo di clustered regularly interspaced short palindromic repeats. Si tratta di un meccanismo di difesa naturale presente nei batteri, utilizzato per proteggersi dai virus. Gli scienziati hanno adattato questo sistema per utilizzarlo nell'editing genico.
Il sistema prevede due componenti chiave. L'RNA CRISPR è una molecola che guida il sistema verso la specifica sequenza di DNA da modificare. Cas9 è un enzima o una proteina che agisce come una forbice molecolare per tagliare il DNA nella posizione desiderata.
"La variazione di queste regioni cis-regolatorie è stata fondamentale per l'addomesticamento e il miglioramento di molte colture", ha detto Gallavotti. "Oggi, tecnologie come la CRISPR-Cas9 ci permettono di introdurre cambiamenti in alcuni tratti, e le regioni cis-regolatorie sono bersagli importanti per questi cambiamenti".
Finora, la sfida per gli scienziati è stata quella di capire quale fosse il bersaglio.
"La nostra analisi aiuta a mappare e studiare queste regioni, che possono essere utilizzate per migliorare le specie coltivate", ha detto Gallavotti. "Speriamo che questa risorsa possa essere usata per individuare regioni particolari per qualsiasi caratteristica. Potrebbe trattarsi di resistenza allo stress, resistenza ai parassiti, modifica dell'architettura di una pianta".
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Pubblicazione originale
Mary Galli, Zongliang Chen, Tara Ghandour, Amina Chaudhry, Jason Gregory, Fan Feng, Miaomiao Li, Nathaniel Schleif, Xuan Zhang, Yinxin Dong, Gaoyuan Song, Justin W. Walley, George Chuck, Clinton Whipple, Heidi F. Kaeppler, Shao-shan Carol Huang, Andrea Gallavotti; "Transcription factor binding divergence drives transcriptional and phenotypic variation in maize"; Nature Plants, Volume 11, 2025-6-12
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