Napoleone e l’eterna giovinezza delle piante

A Losanna c’è una quercia che si chiama Napoleone. O almeno, noi che lavoriamo nel campus dell’Università la chiamiamo così.

Si dice che la quercia che fosse già lì quando il 18 maggio del 1800 Napoleone Bonaparte passò da Losanna con le sue truppe alla volta dell’Italia. Secondo alcune stime, la quercia aveva già 22 anni quando è stata trapiantata in quella posizione. Facendo due calcoli, il nostro Napoleone dovrebbe avere più o meno 240 anni.

Napoleone è alto quasi 40 metri e sotto i suoi rami passano tutti i giorni centinaia di studenti diretti in mensa. È un albero bello e maestoso a cui sono molto affezionata. Ma perché ve ne parlo? Perché è stato al centro di uno studio genetico chiamato Napoleome (= genome Napoleon) durato diversi anni che ho seguito molto da vicino. Non ho partecipato direttamente al progetto, ma ho visto studenti imbragati arrampicarsi per raccogliere campioni dalla cima dell’albero e ho visto il mio compagno di bancone (si può dire?) tagliare le punte dei rami in fette sottili per scoprirne la struttura interna. E ora ve ne voglio parlare.

albero diramazioniLa domanda che i ricercatori si sono posti è stata: Che differenza c’è a livello genetico tra le varie parti della quercia? Le foglie più basse crescono su rami che possono avere quasi duecento anni di età, mentre quelle più alte su rami molto più giovani.  Come in un albero genealogico, tante più diramazioni separano due rami, quanto meno i rami saranno “imparentati” tra loro. Riferendoci all’immagine qui di fianco, possiamo considerare il ramo 1 come genitore dei rami 2 e 3, e nonno dei rami 4, 5, 6 e 7.

Seguendo questo ragionamento, i rami 4 e 5 sono fratelli, separati da una sola diramazione, e i rami 5 e 6 sono cugini, separati da tre diramazioni. Il ramo 3 poi potrebbe essere uno zio del ramo 4 perché è fratello del ramo da cui il 4 è spuntato. (Il corsivo è dovuto perchè le parti di una stessa pianta sono molto più simili tra loro di quanto non lo siano due parenti, visto che in questo caso il genitore è solo uno)

Tutte le cellule che compongono un singolo ramo derivano da uno stesso gruppo di cellule attraverso migliaia di divisioni consecutive. Ad ogni nuova diramazione, quando queste cellule si attivano per far crescere un ramo o una foglia, tutto il loro DNA deve essere replicato per poter essere passato in eredità alle le cellule figlie. Può capitare che nel corso di questo lavoro di copiatura vengano fatti piccoli errore di trascrizione che vengono inevitabilmente trasmessi a tutte le cellule discendenti – che nel caso di un ramo saranno quelle del ramo successivo. A questi errori di replicazione vanno sommati i danni al DNA causati dagli agenti ambientali. Tra questi, ci sono i raggi solari e le radiazioni, che nel caso della quercia Napoleone hanno agito per più di 200 anni.

Napoleone quercia
Sotto la chioma di Napoleone

Se uno di questi errori che causano mutazioni del DNA è avvenuto, per esempio, nel momento in cui è spuntato il ramo 4, sarà solo questo, con tutte le sue foglie, a portare la mutazione. Ma se la mutazione è avvenuta in un momento precedente, ad esempio quando è spuntato il ramo 2, allora tutti i rami che ha prodotto in seguito porteranno la stessa mutazione. Seguendo a ritroso il percorso dalla punta dei rami fino al tronco, passando per rami via via più grandi, è possibile individuare il primo punto in cui sono comparse le mutazioni del DNA. Si può quindi dividere l’albero in settori più o meno grandi formati dall’insieme di tutti i rami che discendono da quel punto e che quindi hanno le stesse mutazioni genetiche.

L’intenzione degli studenti che si arrampicavano sull’albero era quella di raccogliere campioni di foglie da punti diversi dell’albero per poi sequenziarne il DNA. Visto che Napoleone ha una certa età, e che il numero di diramazioni che hanno formato la sua chioma è enorme, ci si aspettava di trovare moltissime mutazioni diverse, come cicatrici impresse nel codice genetico dell’albero nel corso della sua lunga vita.

foglie quercia Napoleone
Per la precisione, Napoleone è una farnia – Quercus robur

A sorpresa, si è scoperto che il DNA della pianta è particolarmente “giovanile”. O meglio, che il numero di mutazioni trovate è molto inferiore rispetto a quello che ci si aspettava in base ai calcoli sul numero di divisioni cellulari (e quindi di replicazione del DNA) avvenute tra i rami inferiori e quelli più alti.

Questa però non è una caratteristica unica di Napoleone. Un fenomeno del tutto analogo è stato osservato nella più insignificante, ma molto più studiata, pianta da laboratorio Arabidopsis. Il trucco sta nel fatto che ogni nuovo ramo non nasce da un punto qualsiasi di un ramo esistente, ma da posizioni particolari dove si trovano piccoli gruppi di cellule staminali. Proprio per evitare che si accumuli un numero eccessivo di mutazioni a causa delle successive divisioni, ad ogni nuova diramazione le piante mettono da parte un piccolo gruppo di queste cellule e le conservano quasi intatte. Metre le cellule circostanti si dividono rapidamente, queste si mantengono in uno stato quiescente che le protegge dagli errori di replicazione.

Questa situazione è molto simile a quella delle cellule germinali umane, cioè quelle che producono uova e spermatozoi. Per evitare di trasmettere ai nostri figli le mutazioni genetiche che compaiono nel corso della nostra vita, anche noi mettiamo da parte, fin dalla nascita, questo tipo speciale di cellule staminali. Le piante non hanno cellule germinali ben localizzate, perchè i fiori, i loro organi sessuali, si sviluppano di volta in volta sulla cima di rami diversi. Per le piante quindi non basta proteggere le cellule che producono i gameti, ma devono fare attenzione a tutte quelle che servono per produrre l’intero corpo della pianta.

Le chêne de Napoléon
Le chêne de Napoléon dopo un temporale estivo

Questo sistema fa sì che non solo le cellule deputate alla riproduzione, ma tutte quelle che formano una pianta sono in grado di mantenersi un uno stato giovanile. Il risultato è che, mentre noi umani andiamo incontro ad un inevitabile e spesso letale deterioramento genetico, la durata della vita delle piante è limitata più da malattie occasionali o dai danni strutturali che dall’invecchiamento del loro codice genetico.


Fonti e letture:
– Sarkar N. et al. (2017) Low Rate of Somatic Mutations in a Long-Lived Oak Tree, Preprint at bioRxiv http://dx.doi.org/10.1101/149203
– Ledford H. (2017) Ancient oak’s youthful genome surprises biologists. Nature News doi:10.1038/546460a
– Watson J.M. et al. (2016) Germline replications and somatic mutation accumulation are independent of vegetative life span in Arabidopsis, PNAS doi: 10.1073/pnas.1609686113
– Burian A. et al. (2016) Patterns of Stem Cell Divisions Contribute to Plant Longevity, Current Biology DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.cub.2016.03.067
Napoleome website

Copertina: Wikimedia Commons – CC BY-SA 4.0
Le altre foto sono di Alice Breda

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