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08.05.2017

Cosa il DNA antico dell’abete bianco ci rivela sui boschi del neolitico

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Lago d'Origlio (TI) (Foto: Università di Berna).
Pipettieren
Scienziato al lavoro nella camera bianca
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Un nuovo metodo consente di analizzare in modo economico il materiale genetico di piante e organismi subfossili. Grazie ad esso, i ricercatori dell’Istituto federale di ricerca per la foresta, la neve e il paesaggio WSL e delle università di Losanna e Berna hanno analizzato il DNA dei resti di abete bianco trovati nei sedimenti lacustri del Ticino, trovando interessanti indizi sulla reazione dei boschi alle prime attività agricole dell’uomo.

Il nuovo procedimento sfrutta gli ultimi progressi raggiunti nella tecnologia del DNA per isolare il DNA antico (abbreviato in aDNA) proveniente da piante e altri organismi preistorici. I metodi sinora utilizzati per questa operazione erano molto costosi. “Siccome per poter formulare affermazioni affidabili i genetisti hanno spesso bisogno di dozzine di campioni, molti progetti di ricerca non sarebbero finanziabili”, confessa Nadir Alvarez, professore presso il dipartimento di ecologia ed evoluzione dell’Università di Losanna.

Il team di ricercatori che lavorano insieme ad Alvarez e ai suoi colleghi Christoph Sperisen (genetista del WSL), Willy Tinner (professore di paleoecologia presso l’Università di Berna) e Sarah Schmid (biologa presso l’Università di Losanna) è ora riuscito a sviluppare un’alternativa economica e a dimostrarne il potenziale sugli aghi fossili di abete bianco ritrovati nel laghetto di Origlio (TI). I risultati del loro lavoro sono stati presentati sulla rivista specializzata Methods in Ecology and Evolution.

L’ago nel pagliaio

Lavorare con materiale genetico subfossile è una vera e propria sfida: “L’aDNA è spesso frantumato, chimicamente danneggiato e inquinato con materiale genetico di batteri e funghi”, spiega Sperisen. “Tra i campioni ritrovati nei sedimenti lacustri, ad esempio, solo una molecola di DNA su cento derivava dall’abete bianco". Estrarre l’aDNA è quindi come cercare un ago nel pagliaio.

Sino ad oggi i ricercatori ricavavano l’aDNA inserendo nella soluzione campione alcune controparti della sequenza di DNA prodotte chimicamente. Il DNA è formato infatti da una doppia elica con una sequenza quasi speculare di filamenti saldamente associati tra loro. Al DNA prodotto chimicamente venivano fissate minuscole sfere metalliche. Quando il DNA artificiale si univa all’aDNA, il tutto poteva essere “pescato” con l’aiuto di una calamita.

Tuttavia, il DNA di piante e animali è costituito per oltre il 90% da segmenti di funzione ignota, una sorta di libro di ricette formato prevalentemente da pagine vuote. È proprio questa caratteristica a essere sfruttata dal nuovo metodo, chiamato HyRAD-X: quest’ultimo infatti non riproduce l’intera sequenza del DNA, ma solo i geni – cioè i segmenti – che contengono le informazioni necessarie per la produzione di una proteina. Un’altra novità è inoltre rappresentata dal fatto che questi segmenti vengono creati con l’aiuto di un enzima. Un sistema che permette di ridurre i costi per un’analisi dell’aDNA a circa un decimo. Dal momento che ogni singolo granello di polvere contiene DNA estraneo, per questi lavori è necessario un laboratorio pulito o camera bianca, come quello di cui dispone il WSL nel nuovo centro nazionale di difesa fitosanitaria.

I boschi dell’età della pietra del larghetto di Origlio

Utilizzando il nuovo metodo, i ricercatori hanno studiato la diversità genetica degli abeti bianchi prima e durante le prime attività agricole dell’uomo intorno al laghetto di Origlio. Nelle carote dei sedimenti lacustri, il paleobotanico Tinner ha isolato depositi di carbone vegetale così come pollini di cereali ed erbacce importate. Ciò significa che le prime attività agricole risalgono a 7’500 - 5’000 anni fa, quando la popolazione dell’epoca bruciava i boschi per ottenere terreni agricoli e da pascolo. Tutto il soprassuolo di abete bianco termofilo del Ticino si è estinto nella secona metà dell'Olocene. Oggi a queste altitudini crescono prevalentemente castagni.

I risultati dimostrano che il soprassuolo di abete bianco è andato riducendosi con l’avvento dell’agricoltura e con lui anche la relativa diversità genetica. Circa 6’200 anni fa il soprassuolo e la sua diversità genetica si sono ristabiliti autonomamente. “Dai confronti del DNA di abeti bianchi di età differenti è emerso che il soprassuolo indigeno si è rigenerato geneticamente da solo e non con l’aggiunta di abeti bianchi provenienti da altre regioni”, prosegue Sperisen.

La diversità genetica gioca un ruolo chiave perché indica quanto una popolazione è in grado di gestire i cambiamenti ambientali: un’alta diversità genetica aumenta ad esempio le possibilità di adattarsi a un clima più arido. Se riusciamo a capire come gli ecosistemi siano un tempo riusciti a ristabilirsi geneticamente dagli interventi dell’uomo, saremo in grado di ottenere utili informazioni su come essi potrebbero reagire ai cambiamenti climatici globali e agli odierni cambiamenti di destinazione dei terreni. Per questo motivo, i ricercatori hanno intenzione di utilizzare il metodo HyRAD-X anche per altri campioni fossili vegetali, ad esempio per chiarire se gli abeti bianchi termofili che si erano estinti in Ticino presentavano proprietà genetiche particolari che potrebbero risultare importanti in un clima più caldo.

Nel 2015 il WSL ha inaugurato una camera bianca (detta anche laboratorio pulito) nella quale i ricercatori possono lavorare in condizioni di atmosfera controllata che evita qualsiasi infiltrazione di pollini, polvere e altro tipo di sporco. Con l’aiuto del materiale proveniente da piante e organismi subfossili, i genetisti analizzano il DNA per aprire una finestra sugli ecosistemi del passato. Il laboratorio pulito si trova all’interno del centro di difesa fitosanitaria nazionale che il WSL ha costruito insieme all’Ufficio federale dell’ambiente (UFAM) e all’Ufficio federale della cultura (UFC).

Studio originale

Schmid S, Genevest R, Gobet E, Suchan T, Sperisen C, Tinner W, Alvarez N. 2017. HyRAD-X, a versatile method combining exome capture and RAD sequencing to extract genomic information from ancient DNA. Methods in Ecology an Evolution, doi: 10.1111/2041-210X.12785.

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