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Barbara Mantovani

Professoressa ordinaria

Dipartimento di Scienze Biologiche, Geologiche e Ambientali

Settore scientifico disciplinare: BIO/05 ZOOLOGIA

Temi di ricerca

Parole chiave: mtDNA Arthropoda DNA satellite elementi mobili filogenesi molecolare rDNA nucleare

La maggior frazione del genoma nucleare è costituita da sequenze ripetute rappresentate sia da geni strutturali, sia da elementi a funzioni diversificate quali elementi mobili, geni per gli RNA ribosomali, DNA satellite e microsatelliti. Attualmente, lo studio è rivolto all'evoluzione di elementi mobili retrptrasponibili autonomi (R2) e non autonomi (SINE)   secondo modelli quali il Muller's ratchet e la library hypothesis in artropodi con condizioni riproduttive diverse dal gonocorismo panmittico (bisessualità) e che spaziano dalla partenogenesi all'ermafroditismo (Crustacea Notostraca) alla strategia di vita eusociale (Insecta Isoptera). Tali indagini sono precedute/accompagnate dallo studio della tassonomia e filogenesi dei taxa in oggetto tramite approcci molecolari (marcatori mitocondriali e nucleari a diverso tasso di evoluzione).

1)Tassonomia, sistematica e filogenesi molecolare.

A) Scelti come modello di studio dell'evoluzione di strategie riproduttive (ipotesi “Fisher-Muller” e “Red Queen”) per l'ampio spettro di condizioni sessuali (gonocorismo, ermafroditismo, partenogenesi, androdioeicia), i crostacei notostraci sono accomunati da una comunque consistente antichità di origine, dalla condivisione dell'ambiente (pozze temporanee) e dalla produzione di forme di sopravvivenza. L'ordine Notostraca comprende i due soli generi Triops e Lepidurus. Le analisi mitocondriali evidenziano un elevatissimo differenziamento del taxon euroasiatico T. cancriformis (geneticamente omogeneo al suo interno) rispetto alle specie congeneriche, tanto da ipotizzare una divergenza di rango sopraspecifico. Per T. cancriformis le indagini sono state quindi ampliate a marcatori ipervariabili (microsatelliti). Questi hanno evidenziato un andamento della variabilità parallelo alla modalità riproduttiva nelle popolazioni gonocoriche e partenogenetiche, ma non in quelle ermafrodite. Per Lepidurus, i marcatori mt suggeriscono una consistente differenziazione tra L. a. apus e L. a. lubbocki, taxon con maschi a gametogenesi abortiva. E' stata inoltre dimostrata la presenza in Italia e svolta la caratterizzazione molecolare di L. couesii, taxon nordamericano ed asiatico. Per Lepthesteria dahalacensis (Conchostraca), specie europea gonocorica, utilizzata come confronto per i taxa affini, l'analisi di marcatori mt e dei loci microsatelliti ha evidenziato una discreta variabilità con strutturazione delle popolazioni europee.

B) In Reticulitermes le analisi mitocondriali hanno dimostrato l'esistenza di numerose entità specifiche e sottospecifiche nell'areale mediterraneo orientale. La peculiarità del sistema “termiti” è dimostrata dal tasso di evoluzione mt da noi stimato circa 1000 volte superiore a quello di insetti non sociali ed imputabile alla biologia riproduttiva. Per Kalotermes flavicollis (unico altro taxon endemico europeo) lo studio di 910 pb di mtDNA ha evidenziato in campioni balcanici e italiani un'elevata omogeneità genetica. Ciò sembra confermare la presenza di una sola entità specifica, la cui sottostrutturazione è attualmente indagata con marcatori ipervariabili nucleari (microsatelliti e interSINE). L'andamento significativamente diverso della variabilità genetica in K. flavicollis e Reticulitermes spp. può essere spiegato con la diversa storia evolutiva e le differenze nell'organizzazione della colonia. 

2) Evoluzione di sequenze ripetute

A) Nelle popolazioni a diversa sessualità di T. cancriformis è stato investigato lo spaziatore intergenico (IGS) del rDNA nucleare. L'analisi della struttura/variabilità della regione IGS indica la presenza di evoluzione concertata, con la maggior quantità di variabilità riscontrata all'esterno di una regione con sottoripetizioni. Il dato più interessante è l'assoluta identità delle sottoripetizioni che occupano la stessa posizione in differenti individui/popolazioni. L'assenza di una sequenza promotrice nelle sottoripetizioni, e la conservazione della loro sequenza suggerisce che questa regione sia un enhancer.

B) In L. dahalacensis è stata individuata una famiglia di sequenze satelliti a basso numero di copie (LEP150) di particolare interesse per i meccanismi di evoluzione delle sequenze ripetute. LEP150 è infatti contiguo al gene ribosomale 5S: è evidente quindi la possibilità di confrontare l'evoluzione di sequenze sottoposte a selezione (ribosomale) e sequenze che per la teoria dell'evoluzione concertata non dovrebbero esserlo. Nel complesso, le analisi con sequenziamento dei monomeri adiacenti indicano che l'intera regione evolve come un “higher order repeat”.

C) In Reticulitermes abbiamo identificato una famiglia di sequenze satellite (RET76) conservata ed omogenea in tutti i taxa europei. La conservazione e la ricchezza in G+C ne suggerisce un ruolo non centromerico, possibilmente legato alle frequenti ristrutturazioni cromosomiche. Se tale ipotesi venisse confermata, la conservazione di RET76 sarebbe quindi dovuta alla selezione di meccanismi che tendono a produrre e mantenere la variabilità genetica in un contesto riproduttivo fortemente omogenizzante. Non sono possibili confronti con altri sistemi, essendo questo il primo satellite isolato negli isotteri. Si sta procedendo alla localizzazione di RET76 e all'isolamento di satelliti in K. flavicollis per gli opportuni confronti.

D) Gli elementi mobili sono ormai noti per gli effetti che provocano nel genoma e le peculiari dinamiche. E' iniziato lo studio della distribuzione, potenziale di proliferazione ed interazioni trasposone-ospite in particolare per il retrotrasposone non-LTR R2 ad inserzione specifica nel gene ribosomale 28S e per 4 Short INterspersed Element appena isolati. Tali indagini si svolgono attualmente nei modelli offerti da popolazioni riproduttivamente diversificate di T. cancriformis e dal sistema eusociale di Reticulitermes, ma è prevista un'estensione di questi studi nei taxa del genere Bacillus (Insecta Phasmida), ben noti come esempio di evoluzione reticolata con ampia varianza riproduttiva.