Le diatomee sono alghe unicellulari responsabili della produzione del 20% dell’ossigeno che respiriamo. Conoscere i meccanismi che regolano i loro cicli vitali è indispensabile per comprendere le dinamiche di successione delle specie fitoplanctoniche e delle fioriture algali a mare.
Essere unicellulare non significa però avere un ciclo vitale ‘semplice’: le diatomee si riproducono per scissione binaria ma diverse specie hanno anche una fase di riproduzione sessuata che coinvolge cellule ‘maschili’ e ‘femminili’. Le diatomee hanno una parete cellulare silicea rigida che causa una progressiva riduzione della taglia cellulare ad ogni divisione. La riproduzione sessuata, oltre a permettere scambio di materiale genetico, in questi organismi consente anche di ripristinare la taglia iniziale, prevenendo così l’estinzione della popolazione.
I gruppi di ricerca guidati dalle Dott.sse Ferrante e Montresor, dopo avere sequenziato il genoma di Pseudo-nitzschia multistriata, hanno intrapreso uno studio mirato a comprendere il meccanismo di determinazione del sesso analizzando le differenze a livello genomico tra i due sessi, chiamati ‘mating type’, che in questa specie vengono distinti in (+) e (–).
Dall’analisi dell’espressione genica differenziale tra i due diversi mating types è stato ottenuto un certo numero di geni la cui espressione era differentemente regolata. In particolare, sono stati identificati 3 geni specifici per il mating type (+) e 2 geni specifici per il mating type (-). Le sequenze di questi geni potevano essere tutte amplificate dal DNA genomico di individui di mating type sia (+) che (-). Non era quindi la presenza o l’assenza di sequenze codificanti geni a distinguere il genoma dei due mating types, ma una corta sequenza ripetuta in tandem nella regione regolativa di MRP3, un gene che viene esclusivamente espresso nel mating type (+). Analizzando 86 ceppi sono stati trovati 4 possibili alleli di diversa lunghezza e si è constatato che uno di questi alleli segrega sempre con il mating type (+).
Per fornire una prova funzionale del ruolo del gene MRP3 nella determinazione del sesso, la sua espressione è stata indotta in cellule di tipo (–) ed è stato osservato che questo cambiamento, da solo, era in grado di invertire il mating type. Analisi di PCR quantitativa e sequenziamento massivo dei trascrittomi hanno permesso di capire che l’espressione degli altri 4 geni specifici per i due diversi mating types varia in funzione dell’espressione di MRP3. Questo ha permesso di dimostrare che MRP3 è il master gene nel processo di determinazione del sesso. Il meccanismo scoperto è il primo descritto per le diatomee per le quali nulla relativamente a questo argomento era noto.
MRP3, la cui funzione biologica rimane sconosciuta, è conservato in altre specie appartenenti al genere Pseudo-nitzschia e nella diatomea Fragilariopsis cylindrus, ma non è noto se possa avere una funzione simile anche in queste specie. Il tentativo di trovare omologhi di MRP3 in altre diatomee evolutivamente più distanti da Pseudo-nitzschia non ha avuto risultati, ma ciò non desta meraviglia data l’elevata plasticità osservata nei meccanismi di determinazione del sesso anche in organismi filogeneticamente vicini.
Infine, la scoperta rappresenta un punto di partenza per il controllo della proliferazione di questi organismi, spesso utilizzati anche in ambito biotecnologico, fornendo, in questo modo, le basi per la produzione di cibo, bioenergia e materiali. Per queste ragioni, il progetto di studio dei meccanismi che regolano la riproduzione sessuata nel plancton ha recentemente ricevuto un consistente finanziamento da parte della fondazione americana Gordon e Betty Moore, che da anni investe nello sviluppo di sistemi modello in biologia marina.
Monia T. Russo, Laura Vitale, Laura Entrambasaguas, Konstantinos Anestis, Neri Fattorini, Filomena Romano, Carmen Minucci, Pasquale De Luca, Elio Biffali, Wim Vyverman, Remo Sanges, Marina Montresor, Maria I. Ferrante. MRP3 is the sex determining gene in the diatom Pseudo-nitzschia multistriata. Nature Communications, 28 November 2018, doi: 10.1038/s41467-018-07496-0.
