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.

La sindrome da domesticazione: l’essenziale 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 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

Dimensioni del frutto/parte commestibile: due caratteri evidenti http://www.btbs.unimib.it/DATA/bacheca/Image/Massimi%20Labra/Figura%202.jpg

Avena coltivata Avena selvatica

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 Semi di mais Per staccare i semi occorre un’azione vigorosa

Konishi et al., (2006) Science 312:1392-1396 qSH1 di riso Breaking tensile strength upon detachment of seeds from the pedicels by bending and pulling Nipponbare Kasalath Increase in value = loss of shattering Nipponbare alleles Kasalath alleles Konishi et al., (2006) Science 312:1392-1396

position of abscission layer formation Nipponbare (non shatt.) Kasalath (shattering) NIL (qSH1) = Nipponbare ma shattering abscission layer Scanning electron microscope (SEM) photos of pedicel junctions after detachment of seeds. position of abscission layer formation

Nipponbare: ...ACATTTCATGA... Kasalath: ...ACATTGCATGA... Promotore Idealmente basta il cambiamento di una sola base sull’intero genoma (400 milioni di basi) per stravolgere totalmente la biologia riproduttiva di una specie Regione trascritta

Non è però 100%  ci sono altri geni che influenzano il fenotipo 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 Cultivars in temperate japonica 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 All the rice accessions analyzed are shown, and haplotypes at qSH1 and their nonshattering degrees are presented. The category of indica, tropical japonica, or temperate japonica was assigned on the basis of genome-wide RFLP and SSR analyses, except in the case of the wild-rice accessions. Five wild rice accessions and three tropical japonica (T0) were selected on the basis of a SINE-retroelement-based tree. “ND” (not determined) indicates no amplification by PCR using the specific primers. Temperate japonica cultivars of Chinese origin Controls: Kasalath & Nipponbare

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

Rice domestication by reducing shattering Li et al (2006) 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.

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. Gene sh4 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.

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.

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

Arabidopsis selvatica

Mutante shatterproof (shp1shp2)

Panicles from the wild type (WT; SL4), the shat1 mutant, and the shat2 mutant. Substitution Line 4 (SL4), by introducing chromosome 4 of wild-rice Oryza rufipogon W1943 (easy shattering) Panicles from the wild type (WT; SL4), the shat1 mutant, and the shat2 mutant. Right corner in the wild type shows the automatically shattering seeds. Bars = 1 cm. (Reprinted from Zhou et al. [2012].)‏ Hofmann N R Plant Cell 2012;24:839-839 ©2012 by American Society of Plant Biologists

Dormienza Un meccanismo di sopravvivenza che favorisce la propagazione e la disseminazione. 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 Per le colture si trasforma in un problema Mutante viviparo di mais 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)

Germinelli di pomodoro trovati dentro un frutto maturo

Gene Sdr4 Sugimoto et al. (2010) 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 Sugimoto et al. (2010) Gene Sdr4 Genotypes of the Sdr4 region in eight plants in which recombination occurred between RM1365 and SNP5

Deletion identified in sdr4 mutant (grey line) M100 Sequenza dei due alleli nella ORF: sono presenti molte differenze clustered sequence changes Deletion identified in sdr4 mutant (grey line) M100 There is a putative NLS  Sdr4 is a nuclear protein Sequenza dei due alleli: promotore

Conseguenze della sindrome? 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

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 soia Sept. 2012, Borgofranco d’Ivrea Tasso di sopravvivenza spontanea: ≈ 1/1.000.000

Domesticazione del frumento: forma e la dimensione dei chicchi Frumenti moderni progenitori T. urartu T. armeniacum T. aestivum T. paleocolchicum Eckardt N A Plant Cell 2010;22:993-993 ©2010 by American Society of Plant Biologists

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

Increase in size of harvested parts, “gigantism” W D Marsh elder (Iva annua) Sunflower (Helianthus annuus) Example of North American domesticates No. 2: Gigantism of harvested organs: e.g., udders of cows and goats seeds and fruits of plants Squash (Cucurbita sp.) 33 (From Smith 1995) 33

World Records: 2004: 1,446 lb. 2009: 1,725 lb. 2011: 1,818 lb. Record Giant Pumpkins http://www.pumpkinnook.com/giants/giantpumpkins.htm

Come mai la sindrome? 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”

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

Ai fini della mostra, che utilità hanno queste informazioni? 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) 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.

La coltivazione del riso: il problema del crodo “fat beggars”, as they accept what is offered and thrive on it http://www.fao.org/docrep/006/y5031e/y5031e09.htm 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.

riso crodo (red rice)

Riso coltivato Riso crodo § if one would use a transgenic HT together with mitigating genes as described by Gressel, the gene excape to red rice would be prevented or heavily retarded * Un grosso problema nelle zone a semina diretta * Riso crodo e coltivato sensibili agli stessi erbicidi

Livello di infestazione con riso crodo: Bassa Media Alta 1 2 3 Semi dispersi prima del raccolto Dormienti per 2-5 a. 11 piante m-2  40% perdita di resa Binasco (Mi) 1 Foto prese a Binasco (Ott. 2011) nei tre campi contrassegnati sulla mappa 3 2

Un caso analogo al riso crodo girasole selvatico 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 Foto prese a sud di Siena (Aug. 2011)

Bibliografia Riso (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

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