A prima vista, l'antica felce acquatica Azolla filiculoides è senza pretese. È minuscolo di qualsiasi misura, con foglie di dimensioni simili a un moscerino che possono essere comodamente posizionate sulla punta del dito più piccolo.

Ma c'è di più in questa pianta in miniatura di quanto non sembri. Alcuni ricercatori ritengono che le sue capacità di fissazione dell'azoto e le proprietà resistenti agli insetti potrebbero essere utilizzate in agricoltura per aiutare a nutrire il mondo. Altri ritengono che la sua capacità di assorbire il biossido di carbonio a tassi elevati potrebbe contribuire allo sforzo di ridurre le alte concentrazioni del famigerato gas serra nell'atmosfera.

Un recente studio sequenziamento del genoma completo della piccola felce è il primo passo per capire come usarlo al meglio per alimentare la crescente popolazione mondiale e combattere il cambiamento climatico.

Lo studio rappresenta la prima volta che un genoma della felce è stato completamente sequenziato.

La ragione è che le specie di felci hanno genomi notoriamente lunghi, rendendoli opzioni poco attraenti per il sequenziamento del genoma. I genomi di felce sono in media gigabyte 12, o 12 miliardi di coppie di basi di sequenze di DNA, sebbene alcuni siano lunghi quanto i gigabasi 148. Il AzollaIl genoma è relativamente breve, con modesti gigabasi .75.

Nello studio, recentemente pubblicato sulla rivista Natura Piante, i ricercatori hanno sequenziato l'interezza del Azolla genoma, così come il genoma di una seconda specie di felce, Salvinia cucullata.

Il progetto è stato finanziato tramite crowdsourcing, ricevendo $ 22,160 - 147 percento dell'obiettivo previsto - dai sostenitori di 123 in poi Experiment.com. Mentre i ricercatori inizialmente avevano pianificato il sequenziamento solo il Azolla genoma, il denaro extra ha permesso loro di espandere lo studio e la sequenza Salvinia anche il genoma.

Più che gli scienziati 40 di tutto il mondo hanno partecipato allo studio, guidato da Fay-Wei Li, un biologo evolutivo vegetale al Boyce Thompson Institute (BTI) e un assistente alla cattedra di biologia alla Cornell University, e Kathleen M. Pryer, professore nel dipartimento di biologia alla Duke University.

Perché il Azolla è così importante

I Azolla può assorbire sia l'anidride carbonica che l'azoto ad alta velocità ed è geneticamente codificato con resistenza agli insetti.

A causa delle sue proprietà uniche, alcuni scienziati ritengono che la piccola felce potrebbe avere un impatto importante su una varietà di campi.

"Azolla ha una biologia davvero interessante e una storia evolutiva ", ha detto Li. “Azolla impegna la simbiosi con i cianobatteri per la fissazione dell'azoto, e per questo motivo è stato usato per centinaia di anni come concime verde e un'incrocio per risaie in Asia.

"Inoltre, nonostante la sua bassa statura, Azolla ha avuto un ruolo importante nella storia geologica della terra. Circa 50 milioni di anni fa, nell'Artico si è verificata un'enorme fioritura di Azolla, che ha assorbito una quantità significativa di anidride carbonica che probabilmente si è raffreddata per un po ': i geologi chiamano questo "evento Azolla". ”

Lo studio

La sequenza del genoma di Azolla ha rivelato l'origine della proteina dietro la resistenza agli insetti della felce. Scoprire le informazioni genetiche alla base di questa proprietà potrebbe consentire agli scienziati di codificare la resistenza degli insetti in altre specie di piante.

"Quando cammini in una foresta, di solito è molto sorprendente scoprire che le felci non mostrano alcun segno di danno agli insetti", ha detto Li. “Alcuni anni fa, una proteina insetticida altamente potente è stata isolata dalle felci e quando la codifica genetica di questa proteina è stata introdotta nei cotoni, i cotoni transgenici hanno mostrato una notevole resistenza ai parassiti degli insetti.

"Abbiamo scoperto che questo gene è unico per i genomi delle felci e probabilmente derivato da batteri attraverso il trasferimento genico orizzontale. In altre parole, la capacità delle felci di respingere gli erbivori da insetti è probabilmente dovuta a un "dono genetico" da parte dei batteri. "

La sequenza del genoma dello studio ha anche rivelato le caratteristiche chiave di Azollacapacità di fissazione dell'azoto.

La felce ha una relazione simbiotica con i cianobatteri Nostoc azollae, un phylum blu-verde di batteri, che siedono in minuscole tasche nella foglia di felce e ottengono la loro energia attraverso la fotosintesi e producono ossigeno. I cianobatteri fissano l'azoto che deve essere usato dal Azolla, mentre la felce fornisce cibo per i cianobatteri sotto forma di zucchero.

Attraverso la loro analisi del genoma, i ricercatori hanno dimostrato chiare prove di cospetiontion tra il Azolla e i cianobatteri.

È questa proprietà che dà alla felce un così grande potenziale da utilizzare in agricoltura come sostituto naturale dei fertilizzanti a base di azoto. È anche il motivo principale per cui è stato usato come concime verde e come pianta per le risaie per centinaia di anni.

Ma è il Azolla di capacità di assorbire il biossido di carbonio che ha attirato un'attenzione particolare da parte di ricercatori che ritengono che la pianta possa essere utile per ridurre i livelli globali di anidride carbonica.

La folta fioritura che copriva l'arctic milioni di anni fa ha attirato tanto quanto 10 miliardi di tonnellate di anidride carbonica. Gli scienziati stanno ora studiando la pianta per vedere se potrebbe essere utilizzato per un effetto simile oggi.

Sequenziare il genoma è il primo passo per capire come Azolla può essere usato nella battaglia contro i cambiamenti climatici.

"Con questi primi dati genomici delle felci, la scienza può acquisire un'intelligenza vitale per comprendere i geni delle piante", ha affermato Li in una nota. "Ora possiamo ricercare le sue proprietà come fertilizzante sostenibile e forse raccogliere l'anidride carbonica dall'atmosfera".

Qual è il prossimo passo?

Li ritiene che lo studio potrebbe avere importanti implicazioni per la ricerca futura.

In quanto parte della Progetto genomi vegetali 10K, i ricercatori stanno lavorando con il Istituto di genomica di Pechino a Shenzhen, in Cina, per campionare strategicamente l'albero della vita della felce per il sequenziamento del genoma, ha detto Li.

Hanno già contrassegnato le specie di felci 10 per il sequenziamento del genoma, rendendo facile immaginare un futuro prossimo in cui i ricercatori hanno raggiunto questo obiettivo.

In questo modo si chiarirebbero molti misteri - potrebbe rivelare perché i genomi delle felci sono così grandi, per esempio - e generalmente fornire ai ricercatori una comprensione molto più profonda della struttura e dell'evoluzione del genoma delle felci.

"Le felci sono uno dei rami più speciosi nell'albero della vita delle piante, ma non erano disponibili dati genomici - infatti, le felci erano l'unica discendenza vegetale priva di un genoma di riferimento", ha detto Li.

“Con questi due genomi delle felci, ora è finalmente possibile confrontare l'evoluzione dei geni e dei genomi nell'intero albero della vita. Prevediamo che le nostre risorse genomiche apriranno molte nuove direzioni di ricerca e porteranno a molte scoperte interessanti! ”