La sindrome da domesticazione:quali mutazioni trasformano una pianta

selvatica in una coltivata?"

“I’m all for progress; it’s change I don’t like” (Mark Twain)

Che cosa è la domesticazione?

• “Processo tramite il quale le piante o gli animali selvatici vengono adattati all’uomo e all’ambiente che egli crea”

• Ben di più che il semplice allevare in cattività, domare o coltivare

• Processo di selezione che porta a caratteristiche morfologiche, fisiologiche, genetiche e “comportamentali” ereditabili

• In molti casi esistono progenitori selvatici (o loro discendenti)

• I principali caratteri sotto selezione sono stati identificati (“sindrome da domesticazione)

• Lasso di tempo richiesto: (1.000 – 10.000 anni)

Perché “sindrome”?Sindrome (gr. Syn = con + dromos = circuito, strada. Stessa radice del verbo “dramai”, agire, manifestare, da cui anche dramma). Aggregazione di segni, sintomi e/o altre manifestazioni considerate parte di un'entità morbosa.

• Quali sono le caratteristiche morfologiche, fisiologiche, genetiche e “comportamentali” ereditabili che distinguono le piante domesticate dai loro progenitori?

•I due caratteri più importanti della sindrome sono la perdita della dispersione del seme e la ridotta dormienza del seme

•I dettagli specifici di ciascun carattere e i geni coinvolti variano con la coltura

• Piante pienamente domesticate hanno la maggior parte dei caratteri tipici della sindrome ma spesso non tutti; all’interno di una stessa coltura esistono differenze nel grado di domesticazione

Esempi di piante con sindrome “incompleta”:

Girasole

Colza

...

La sindrome da domesticazione: l’essenziale

Caratteri sotto selezione?

Seme trattenuto a maturità della spiga (frutto)

Riduzione del contenuto di tossine (patogeni…)

Dimensioni, forma e colore del frutto/seme/parte commestibile

Aumento nel numero di semi/fertilità

Nanismo/accestimento (in generale “plant architecture”)

Dormienza del seme (infestanza, permanenza..)

Richieste nutrizionali (fertilizzanti…)

Adattamento della fioritura alle condizioni locali

Seme nudo/vestito

La sindrome da domesticazione

Dimensioni del frutto/parte commestibile: due caratteri evidenti

Avena selvaticaAvena coltivata

Un bel carattere

Spighetta in una pianta matura:i semi cadono a terra entro pochi giorni.

Spighetta in una pianta matura:i semi rimangono per anni attaccati alla spighetta. Il loro distacco richiede un trattamento vigoroso (trebbiatura).

Orzo selvatico (murino) - coltivato

Teosinte – Mais

Semi di teosinte

Semi di mais

i semi si staccano facilmente

Per staccare i semi occorre un’azione vigorosa

Konishi et al., (2006) Science 312:1392-1396

Nipponbare allelesKasalath alleles

Breaking tensile strength upon detachment of seeds from the pedicels by bending and pulling

Increase in value = loss of shattering

Nipponbare Kasalath

qSH1 di riso

position of abscission layer formation

Scanning electron microscope (SEM) photos of pedicel junctions after detachment of seeds.

Nipponbare

(non shatt.)

Kasalath

(shattering)

NIL (qSH1)

= Nipponbare ma shattering

abscission layer

Nipponbare: ...ACATTTCATGA...

Kasalath: ...ACATTGCATGA...

Pro

mo

tor

eR

egio

ne

tras

crit

ta

Idealmente basta il cambiamento di una sola base sull’intero genoma (400 milioni di basi) per stravolgere totalmente la biologia riproduttiva di una specie

Temperate japonica cultivars of Chinese origin

Selection for the qSH1 allele was not as intense nor as expansive as selection for the sh4 allele, as qSH1 is not fixed, even within the temperate japonica subpopulation, let alone the whole of O. sativa

Cultivars in temperate japonica

Controls: Kasalath & Nipponbare

La presenza di “G” a qSH1 correla bene con un fenotipo shattering, mentre la presenza di “T” correla bene con non-shattering specialmente nelle cultivar di origine cinese.Non è però 100% ci sono altri geni che influenzano il fenotipo

Sulla base dei vari polimorfismi (tra cui qSH1) è possibile cercare di ricostruire la storia della domesticazione del riso

Rice domestication by reducing shattering

Genetic analysis of an F2 population derived between O. sativa ssp. indica and the wild annual species O. nivara identified three quantitative trait loci (QTL) -sh3, sh4, and sh8- responsible for the reduction of grain shattering in cultivated rice.

Li et al (2006)

The remaining accessions of the wild species with confirmed shattering differed invariably from the cultivars by one mutation, d, which was a nucleotide substitution of G for T or an amino acid substitution of asparagine for lysine in O. sativa.

An extraordinary feature of the cultivated allele of sh4 is that it severely weakens but does not eliminate shattering. Thus, the grains are retained on the plants long enough for harvest, but then they can be removed easily by threshing.

Gene sh4

First, qSH1 was selected during the domestication of japonica rice, but was subsequently selected against and eliminated from most of the japonica cultivars after sh4 was introduced from cultivars of different origins, such as indica. The combination of qSH1 and sh4 could have made threshing too difficult and laborious at the time. Second, qSH1 was derived in the japonica cultivars that already had sh4 to further reduce shattering when the requirement for stronger threshing force was no longer a problem.

The sh4 mutation preceded and spread more widely in landraces than the qsh1 mutation. Because the qsh1 mutation, but not the sh4 mutation, caused abscission-layer loss, it is very likely that the archeological data on the short rachillae indicate that the qsh1 mutation had already been selected by 7000 bc.

Silique di Arabidopsis wt (sopra) e del mutante seedstick (sotto). E’ evidente che la mutazione impedisce la dispersione del seme. Immagine cortesia di I. Roig Villanova, Università di Milano

I geni per il carattere non- shattering variano da specie a specie (e da varietà a varietà)

Arabidopsis selvatica

Mutante seedstick

Arabidopsis selvatica

Mutante shatterproof (shp1shp2)

Panicles from the wild type (WT; SL4), the shat1 mutant, and the shat2 mutant.

Hofmann N R Plant Cell 2012;24:839-839

©2012 by American Society of Plant Biologists

Substitution Line 4 (SL4), by introducing chromosome 4 of wild-rice Oryza rufipogon W1943 (easy shattering)

previene la germinazione al momento sbagliato

previene la germinazione al tempo sbagliato

distribusce la germinazione nel tempo, minimizzando gli effeti di eventi sfavorevoli

favorisce la dispersione nello spazio

Un meccanismo di sopravvivenza che favorisce la propagazione e la disseminazione.

la coltura non germina o lo fa erraticamente

dromienza profonda subito controselezionata

un problema per valutare la qualità del seme

TUTTAVIA un poco di dormienza è desiderabile per evitare la germinazione precoce (preharvest sprouting)

Per le colture si trasforma in un problema Mutante viviparo di mais

Dormienza

Germinelli di pomodoro trovati dentro un frutto maturo

Germination of Kasalath, Nipponbare and NIL[Sdr4]

Germination rates (6 weeks after heading)

A nearly isogenic line: Nipponbare background with a 7.5-Mb Kasalath segment (Sdr4)

the Kasalath allele of Sdr4 (Sdr4-k) had a strong positive effect on seed dormancy

Genotypes of the Sdr4 region in eight plants in which recombination occurred between RM1365 and SNP5

Sugimoto et al. (2010)

Gene Sdr4

Deletion identified in sdr4 mutant (grey line) M100

Sequenza dei due alleli: promotore

clustered sequence changes

Sequenza dei due alleli nella ORF:

sono presenti molte differenze

There is a putative NLS Sdr4 is a nuclear protein

Cosa succede quando una spiga di un cereale coltivato cade a terra (no shattering e dormienza ridotta)?

Duplice maledizione:

Germinazione al tempo sbagliato

Affollamento e competizione

Conseguenze della sindrome?

Piante di mais volontarie a metà novembre

Alta densità di piante

Già danneggiate dal freddo

Non hanno alcuna possibilità di contribuire alla prossima generazione

Quelle che non germinano ma rimangono per terra…

marciscono o sono mangiate

Pianta di mais volontaria in un campo di soiaSept. 2012, Borgofranco d’Ivrea

Tasso di sopravvivenza spontanea:

≈ 1/1.000.000

Domesticazione del frumento: forma e la dimensione dei chicchi

Eckardt N A Plant Cell 2010;22:993-993©2010 by American Society of Plant Biologists

T. urartu T. armeniacum T. aestivum T. paleocolchicum

progenitori

Frumenti moderni

Free threshing

Figure 1. Threshed spikes and components from the common wheat (T. aestivum) cultivar Opata 85 (A) and the synthetic hexaploid W-7984 (B). Eight randomly chosen mature spikes of each line were processed through a gasoline-powered thresher. Spike and spike fragments (Spk), threshed seeds (Sd), unthreshed seed in spikelets (Spl), and chaff (Ch) were collected for analysis. Percent threshability was calculated as the percentage of completely threshed seeds out of all seeds harvested. Opata 85 is fully threshable (100%) whereas the synthetic hexaploid is not (34%).

http://cropandsoil.oregonstate.edu/content/genes-involved-domestication-wheat

Una storia antica...quanto la storia

Il frumento è frutto dell’incrocio tra 2 specie (3 per quello tenero) diverse e la successiva domesticazione

(From Smith 1995)

Increase in size ofharvested parts, “gigantism”

Example of NorthAmerican domesticates

Marsh elder(Iva annua)

Sunflower(Helianthus annuus)

Squash (Cucurbita sp.)

W D

33

World Records:• 2004: 1,446 lb. • 2009: 1,725 lb.• 2011: 1,818 lb.• 2012: 2,009 lb.

Record Giant Pumpkins

http://www.pumpkinnook.com/giants/giantpumpkins.htm

L’agricoltura è iniziata come tentativo di incoraggiare la crescita di piante commestibili (o utili) a spese di piante meno utili.

- Bruciando la vegetazione per favorire le erbacee che producevano cibo (favorite dal fuoco perchè riduce la competizione e fertilizza)

- Bruciando un’area senza piante utili e poi seminando i semi di quelle utili raccolte altrove

- Il passo successivo è stato probabilmente alla semina diretta di seme salvato nella precedente stagione invece che attendere la naturale propagazione.

“Once the practice was established, selection and crop improvement could begin”

Come mai la sindrome?

La sindrome è dunque…

…la naturale e involontaria conseguenza della selezione umana:

- loss of shattering: le spighe meno fragili hanno maggior probabilità di essere raccolte

- loss of seed dormancy: i semi con troppa dormienza hanno minor probabilità di contribuire alla generazione successiva

-increase in grain size: riflette la selezione per la germinazione in condizioni di coltivazione (e.g. aratura maggior profondità di semina).

Altri caratteri possono essere selezionati volontariamente e consciamente

“loss of shattering and loss of seed dormancy, can arise and increase in frequency over a short time period when subjected to strong selection”

• C’è stata selezione? Sì, fino al punto che:"Very many of the most strongly-marked domestic varieties could not possibly live in a wild state.“ (C. Darwin)

• Trade-off: le colture non esisterebbero se l’uomo non le avesse inventate

• Si estinguerebbero se l’uomo smettesse di coltivarle

• Si è instaurata una relazione mutuamente benefica tra gli uomini e le colture

7 out of 8 domestication genes encode transcription factors that regulate other (target) genes by directly binding to their DNA.

They belong to separate families: TCP (tb1), SBP (tga1), AP2 (Q), MYB3 (sh4), HOX (qSH1), HD-Zip I (vrs1), ERF (nud),…

Domesticated alleles are mostly functional: Tinkering, not disassembling is the order of the day in domestication as in natural evolution.

Utilizzando la genetica è possibile ricostruire la storia delle varie colture: i caratteri oggetto dei primi eventi di domesticazione si ritrovano in tutte le varietà coltivate di quella specie.

Questo è possibile perchè sono sotto costante selezione (la loro perdita rende la pianta poco attraente per la coltivazione)

Ai fini della mostra, che utilità hanno queste informazioni?

La coltivazione del riso: il problema del crodo

Il riso crodo è molto simile al riso coltivato (stessa specie).

Difficile da distinguere quando è allo stadio di germinello.

A maturità, il riso crodo è più alto.

Infesta 40-75 % dell’area coltivata a riso in Europa.

“fat beggars”, as they accept what is offered and thrive on it

riso crodo (red rice)

Riso crodoRiso coltivato

* Un grosso problema nelle zone a semina diretta* Riso crodo e coltivato sensibili agli stessi erbicidi

Semi dispersi prima del raccolto

Dormienti per 2-5 a.

11 piante m-2 40% perdita di resa1

2 3

23

1

Binasco

(Mi)Foto prese a Binasco (Ott. 2011) nei tre campi contrassegnati sulla mappa

Livello di infestazione con riso crodo:

Bassa Media Alta

Svetta sopra la coltura, ma è la stessa specie.

Probabilmente è una forma de-domesticata che disperde i semi e cresce più alta

Girasole coltivato

girasole selvatico

Un caso analogo al riso crodo

Foto prese a sud di Siena (Aug. 2011)

BibliografiaRiso (qSH1): Konishi et al. (2006) An SNP Caused Loss of Seed Shattering During Rice Domestication. Science 312, 1392-1396.

Riso (SH4): Li et al (2006) Rice Domestication by Reducing Shattering. Science 311, 1936-1939.

Mais (tb1): Doebley, A. Stec, L. Hubbard, Nature 386, 485 (1997).

Pomodoro (fw2.2): Frary et al., Science 289, 85 (2000).

Mais (tga1): Wang et al., Nature 436, 714 (2005).

Frumento (Q): Simons et al., Genetics 172, 547 (2006).

Orzo (brt1): Komatsuda, et al. (2007) Six-rowed barley originated from a mutation in a homeodomain-leucine zipper I-class homeobox gene. Proc. Natl Acad. Sci. USA 104: 1424–1429.

Orzo (Vrs1): Sakuma et al. (2010) Duplication of a well-conserved homeodomain-leucine zipper transcription factor gene in barley generates a copy with more specific functions. Funct. Integr. Genomics 10:123–133.

Bibliografia (continua)

• Taketa et al. (2008) Barley grain with adhering hulls is controlled by an ERF family transcription factor gene regulating a lipid biosynthesis pathway. Proc Natl Acad Sci USA 105:4062–4067

The identified SNP was likely to be assigned as a mutation that occurred in early domesticates of japonica subspecies but not as a preexisting natural variation

Nine mutations and two recombination events are enough to explain the natural variations at qSH1 in japonica