Lo studio mostra che un diffuso adattamento fisico e genomico all’ambiente può verificarsi in poche settimane

Un membro del laboratorio di Paul Schmidt presso l’Università della Pennsylvania controlla un recinto nel frutteto sperimentale allestito per studiare l’evoluzione della mosca della frutta. I risultati del team hanno documentato alcuni dei tassi di adattamento più rapidi mai misurati negli animali. Credito: Eric Sucar/Università della Pennsylvania

Pensi che l’evoluzione sia un processo lento e graduale? Dillo ai moscerini della frutta. In un nuovo rapporto in Scienzai ricercatori dell’Università della Pennsylvania hanno utilizzato un esperimento sul campo controllato per dimostrare che le mosche si sono adattate rapidamente alle mutevoli condizioni ambientali con alterazioni in tutto il loro genoma e in una serie di caratteristiche fisiche.

Nel corso dell’esperimento, durato solo quattro mesi, i ricercatori hanno documentato modifiche al 60% del genoma delle mosche. Con questa osservazione diretta dell’adattamento rapido e continuo in risposta all’ambiente, un fenomeno noto come tracciamento adattivo, i biologi hanno stabilito un nuovo paradigma su come pensare alla scala temporale dell’evoluzione.

“Era un’idea interessante ma ritenuta improbabile, finché non l’abbiamo mostrata”, afferma Paul Schmidt, professore di biologia alla Penn’s School of Arts & Sciences e autore senior dell’articolo.

“Ciò che rende tutto questo così eccitante è la risoluzione temporale con cui stiamo osservando i processi evolutivi in ​​tempo reale”, afferma Seth Rudman, co-autore principale della pubblicazione che ha svolto il lavoro come borsista post-dottorato alla Penn e ora è assistente professore alla Washington State University.

Quanto velocemente

È noto da tempo che l’evoluzione può progredire rapidamente nei moscerini della frutta di breve durata e a rapida riproduzione. Ma esattamente quanto velocemente è rimasto in discussione, in particolare se più tratti potessero evolversi insieme, continuamente, in risposta a cambiamenti ambientali a breve termine.

In studi precedenti nei frutteti dell’area di Filadelfia, Schmidt e colleghi avevano visto che i moscerini della frutta presenti all’inizio della stagione di crescita erano abbastanza diversi da quelli che ronzavano nel tardo autunno in termini di tolleranza allo stress, idoneità riproduttiva e persino pigmentazione. Ma quella ricerca non poteva escludere la possibilità che nuove mosche stessero entrando nella popolazione, causando cambiamenti drammatici.

Per controllare più da vicino le circostanze dei loro studi, il team ha sviluppato un frutteto sperimentale, situato su un tratto di terreno a Pnovation Works, a breve distanza dal campus principale di Penn. Lì, più recinzioni consentono ai membri del laboratorio di Schmidt di studiare le mosche in condizioni ambientali reali (freddo, caldo, pioggia e tutto il resto), impedendo alle mosche di entrare o scappare. Pertanto, è noto che gli insetti nei recinti alla fine di un esperimento sono i diretti discendenti di quelli rilasciati nel recinto all’inizio dello studio.

Controllo sull’evoluzione

I ricercatori hanno iniziato l’attuale indagine rilasciandone 1.000 Drosophila melanogaster mosche della frutta in ciascuno dei 10 recinti nel luglio del 2014. Le mosche sono state quindi nutrite con le stesse diete, ma per il resto sono state lasciate a se stesse. Al culmine dell’esperimento, ogni popolazione era cresciuta fino a raggiungere un numero di circa 100.000.

Una volta al mese, il team ha rimosso singole mosche e 2.500 uova da ciascun recinto, le ha allevate separatamente, quindi le ha analizzate per sei diverse caratteristiche fisiche note per essere governate da più geni, come il successo riproduttivo e la tolleranza al freddo.

Rapido adattamento nei moscerini della frutta

In un esperimento sul campo controllato, i ricercatori dell’Università della Pennsylvania hanno dimostrato che i moscerini della frutta si sono adattati rapidamente alle mutevoli condizioni ambientali, modificando il 60% dei loro genomi nell’arco di uno studio di quattro mesi. Credito: Seth Rudman

Inoltre, durante ciascuno di questi controlli mensili, i ricercatori hanno selezionato casualmente 100 mosche dalla popolazione di ciascun recinto e hanno sequenziato i loro genomi come un gruppo raggruppato. In tal modo, potrebbero ottenere un’istantanea delle mutevoli frequenze alleliche – le variazioni in diversi punti del genoma – nel tempo.

L’evidenza sia dei dati fisici che del genoma era chiara: le mosche si stavano evolvendo, adattandosi al loro ambiente, e lo stavano facendo più velocemente di quanto chiunque avesse mai misurato prima.

“Vediamo che le popolazioni sono in grado di tenere traccia delle differenze nell’ambiente”, afferma Schmidt. “Questa non era una risposta a un singolo evento selettivo, come una siccità. Le popolazioni erano in continua evoluzione e mutamento durante l’intero esperimento”.

Adattamento fluttuante

Poiché le mosche sono di breve durata, il periodo di una manciata di settimane tra ogni analisi si traduce in da una a quattro generazioni di mosche, o circa dieci generazioni nel corso dell’intero esperimento.

Anche così, l’entità dell’adattamento è stata inaspettata, con oltre il 60% del genoma delle mosche che si è evoluto direttamente o indirettamente durante l’esperimento. Schmidt e Rudman notano che ciò non significa che la selezione evolutiva agisca su più della metà del genoma: parte del DNA viene trascinato quando altre parti cambiano in un processo noto come “tiraggio genetico”.

Ma ciò che ha reso i risultati particolarmente interessanti è che la direzione dell’adattamento è cambiata più volte, oscillando come un pendolo al variare delle condizioni ambientali.

“Pensare che un tratto potesse evolversi in un certo numero di settimane, e poi invertire la direzione il mese successivo, è stato molto sorprendente”, afferma Rudman. “Questo dipinge un quadro di adattamento e selezione davvero dinamici. La direzione della selezione naturale sta cambiando, gli obiettivi stanno cambiando e stanno cambiando molto rapidamente”.

Studi precedenti, spiegano i ricercatori, potrebbero aver sottovalutato il tasso di adattamento, perché stavano osservando solo i cambiamenti genomici tra due punti abbastanza distanti alla volta, diciamo, A e B. Osservando ripetutamente e spesso la stessa popolazione, questo esperimento è stato progettato per rivelare cosa è successo nel mezzo – un percorso tortuoso di adattamento da A a B a C e di nuovo a B – fluttuazioni che sarebbero state altrimenti invisibili.

Sebbene i moscerini della frutta si riproducano su una scala temporale molto più compressa rispetto agli esseri umani, i ricercatori affermano che i loro risultati hanno rilevanza per le specie più longeve e a rigenerazione più lenta, come gli esseri umani.

“Direi che questi processi hanno luogo in molti organismi diversi, ma sono più difficili da misurare su scale temporali appropriate”, afferma Schmidt. “Quindi, per i moscerini della frutta, le pressioni all’adattamento potrebbero venire con le stagioni, ma per l’uomo potrebbe essere il cambiamento climatico, l’agricoltura, l’utilizzo del latte come fonte di cibo. Questo potrebbe essere un fenomeno generale. Ora l’onere è su di noi per determinare la scala temporale su cui si sta verificando”.

Rudman e Schmidt sono stati coautori dell’articolo con Subhash Rajpurohit di Penn, Nicolas J. Betancourt e Jinjoo Hanna e Sharon I. Greenblum, Susanne Tilk, Tuya Yokoyama e Dmitri A. Petrov della Stanford University. Rudman, Greenblum e Rajpurohit hanno condiviso la prima paternità.


I microbiomi dei moscerini della frutta modellano la loro evoluzione


Maggiori informazioni:
Seth M. Rudman et al, Osservazione diretta del tracciamento adattivo su scale temporali ecologiche in Drosophila, Scienza (2022). DOI: 10.1126/science.abj7484. www.science.org/doi/10.1126/science.abj7484

Fornito dall’Università della Pennsylvania

Citazione: Lo studio mostra che un diffuso adattamento fisico e genomico all’ambiente può verificarsi in poche settimane (2022, 17 marzo) recuperato il 17 marzo 2022 da https://phys.org/news/2022-03-widespread-physical-genomic-environment-weeks.html

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