Gettare nuova luce sul passato evolutivo delle specie
La speciazione - il processo in cui una popolazione all’interno di una specie si separa e sviluppa le proprie caratteristiche uniche - è un processo evolutivo lento e difficile da osservare direttamente. Spesso la migliore fonte di informazioni che abbiamo su quando e come è avvenuta la speciazione proviene dalla variazione della sequenza lungo il genoma (l’insieme delle istruzioni del DNA presenti in una cellula). «Ad esempio, possiamo usare il numero di differenze della sequenza per datare la divergenza delle specie», spiega Konrad Lohse, coordinatore del progetto ModelGenomLand, della Università di Edimburgo nel Regno Unito. Tuttavia, i ricercatori tendono a concentrarsi su un numero limitato di organismi modello. Tra questi vi sono i moscerini della frutta e altri insetti in cui la speciazione è avvenuta rapidamente o ha comportato cambiamenti evidenti, come le differenze di colore nelle farfalle. Gli scienziati hanno anche lottato per distinguere la selezione naturale che agisce in generale all’interno di una specie dalla selezione che impone barriere al flusso genico tra le specie. «A causa di questi pregiudizi, la nostra comprensione di come avviene la speciazione in generale rimane scarsa», aggiunge.
Strumenti matematici per comprendere i cambiamenti genetici
Il progetto ModelGenomLand, sostenuto dal Consiglio europeo della ricerca, ha cercato di sviluppare nuovi strumenti matematici per consentire agli scienziati di modellare la variazione della forza delle barriere tra le specie lungo il genoma. «Un’importante scoperta matematica è stata fatta dal dottorando Gertjan Bisschop, che ha sviluppato un algoritmo per accelerare questi calcoli», spiega. Ciò potrebbe fornire una migliore comprensione dei cambiamenti genetici che hanno portato all’evoluzione e al mantenimento delle differenze tra le specie e consentire la ricostruzione delle storie di speciazione in modo imparziale. Per studiare i processi di speciazione, Lohse e i suoi colleghi si sono messi in contatto con il laboratorio Consiglio nazionale delle ricerche spagnolo di Roger Vila, leader nella diversità delle farfalle, e hanno generato i dati di 20 coppie di specie sorelle di farfalle. Il team di ModelGenomLand ha inoltre collaborato con il progetto Darwin Tree of Life e con il laboratorio di Alex Hayward presso la Università di Exeter per assemblare i genomi di riferimento di queste specie.
Variazione a livello genomico e processi evolutivi
Il progetto ha sviluppato con successo un nuovo modo di collegare la variazione genomica ai modelli fondamentali dei processi evolutivi. Ciò ha portato ad alcune importanti scoperte. «L’analisi dei dati mostra che la maggior parte delle specie di farfalle originarie dell’Europa non si è formata durante uno dei principali cicli glaciali, come si era ipotizzato in precedenza», osserva. «Sono molto più antiche, in molti casi precedenti all’inizio del Pleistocene, 2,6 milioni di anni fa». Il team ha inoltre scoperto che anche le coppie di specie che hanno iniziato a divergere più di 1 milione di anni fa continuano a scambiarsi variazioni genetiche. «Un altro dottorando che ha lavorato al progetto, Alexander Mackintosh, ha analizzato le sequenze genomiche di una coppia di specie di farfalle i cui cromosomi avevano subito un gran numero di riarrangiamenti», spiega. «Modellando il processo di speciazione lungo il genoma, è riuscito a dimostrare che i riarrangiamenti erano associati a un minor tasso di scambio di geni tra le specie, favorendo la loro divergenza».
Indagine sugli scenari evolutivi tra le specie
I nuovi approcci sperimentati nel corso del progetto ModelGenomLand vengono ora utilizzati per studiare gli scenari evolutivi di un’ampia gamma di specie. «Le analisi dei dati genomici sulla speciazione generati dal progetto sono in corso», aggiunge. «Descrivere le proprietà generali delle barriere tra le specie richiede ampi confronti delle storie demografiche e dei paesaggi genomici». Secondo Lohse, il prossimo passo fondamentale è capire quanto siano «impermeabili» le barriere tra le specie e caratterizzare sia la durata della variazione benefica che continua a essere condivisa tra le specie emergenti, sia il tipo di variazione che si verifica.
Parole chiave
ModelGenomLand, evolutivo, specie, matematico, DNA, genetico, genoma
