Above the Cloud: La strana genetica delle formiche pazze

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La strana genetica delle formiche pazze

Formiche pazze non è (solo) il nome di una squadra di basket dell’Indiana che gioca nella serie cadetta della NBA (Indiana Mad Ants) ma soprattutto il nome di una specie di formiche gialle, le Anoplolepis gracilipes.

Credit: AntWeb, CC BY 4.0

Nomen omen potrei dire visto che devono il loro nome ai movimenti alla rinfusa che viene innescato quando arriva un fattore di disturbo, ad esempio un entomologo curioso.

Si tratta di formiche con una pessima nomea essendo una specie invasiva presente principalmente nel sud-est asiatico e in Oceania, la cui presenza è una minaccia reale per invertebrati e vertebrati (piccoli mammiferi inclusi) autoctoni. Ad esempio nella Christmas Island, territorio australiano a sud di Giava, l’arrivo di queste formiche ha portato alla decimazione dei granchi rossi.

Comprendere la genetica di queste formiche ha sia valenza scientifica che pratica, utile per trovare modi per arginare la loro diffusione.

Lo studio che oggi riassumo descrive proprio il completamento della loro analisi genetica (conclusione di lavori pubblicati nel 2018) che spiega come mai i maschi apparissero come diploidi (caratteristica insolita negli insetti), dato il possedere due versioni di molti marcatori genetici.

Come in molti altri insetti, i maschi si sviluppano da uova non fecondate, quindi sono aploidi al contrario delle femmine (diploidi) frutto di uova fecondate. Avere due varianti dello stesso gene fu quindi una scoperta inattesa, per quanto fosse noto che in alcune specie di formiche si generano occasionalmente maschi diploidi il cui contributo genetico è però nullo essendo sterili.
Trovare una specie di formica in cui TUTTI i maschi erano diploidi sollevò domande sulla loro genetica.

Primo e fondamentale passaggio nell'analisi fu di studiare il genoma di singole cellule prelevate dai maschi di questa specie di formiche invece del DNA ottenuto dalla formica intera; il risultato rivelò che i maschi erano in effetti aploidi sebbene apparissero diploidi se analizzati come organismo completo. La diploidia apparente era il risultato del chimerismo dei maschi, costituiti cioè da due distinte linee cellulari di partenza da cui poi originava l'intera formica.

Nel dettaglio le (cellule delle) formiche regine hanno due copie di una stessa linea genomica chiamata R (R/R) mentre le formiche operaie (sterili) sono degli ibridi, sono cioè portatrici di un'altra linea (detta W), ragione per cui ogni loro cellula è di tipo W/R.

In altri insetti (ad esempio le api) sia la regina che le operaie sono sorelle geneticamente non distinguibili a priori. La "classe sociale" delle femmine è conseguenza del tipo di alimentazione ricevuta durante la fase larvale. In questa specie di formiche invece la classe è frutto del corredo genetico.

Ne deriva che tutte le uova prodotte dalla regina saranno unicamente rappresentative del genoma R.

I maschi appaiono anche essi W/R ad una analisi macro come se fossero diploidi. In realtà l’analisi di cellule singole conferma che anche loro (come gran parte dei maschi negli insetti) sono aploidi e che lo status apparentemente diploide R/W è dovuto all’essere chimere cellulari, organismi cioè che hanno nel loro corpo due popolazioni di cellule, una portatrice del solo genoma W e l’altra del solo genoma R. Ne deriva che i loro spermatozoi saranno portatori del genoma R o W

Esperimenti successivi hanno evidenziato che le cellule R e W sono distribuite in modo non uniforme nel corpo dei maschi con il 75% delle cellule somatiche di tipo R. Il rapporto si inverte negli spermatozoi dove il 65% sono cellule W.
Le cellule W e R non sono distribuite in modo uniforme nel corpo e tale distribuzione differisce anche tra gli individui (nell'immagine 5 maschi rappresentativi)
Darras et al /SCIENCE 2023

I gameti maschili (spermatozoi) saranno di conseguenza in gran parte W, utili per generare femmine operaie (o anche maschi, vedi sotto), mentre nel caso in cui lo spermatozoo sia di tipo R nascerà una regina.

I maschi sono, come detto, aploidi per cui non sono il risultato di una vera fecondazione (fusione di due gameti e unione dei due nuclei) ma solo di una interazione che non porta alla fusione dei nuclei. Ecco la ragione per cui i maschi sono degli "eterozigoti mancati" le cui cellule sono derivate dai discendenti mitotici della cellula uovo o dello spermatozoo generando così organismi chimerici.

Importante sottolineare come non esistano evidenze di scambio di materiale genomico (leggasi ricombinazione), processo tipico negli stadi finali della meiosi. Una caratteristica che li differenzia sostanzialmente da altri organismi diploidi (come siamo noi) in cui sebbene siamo portatori dei tratti genetici dei genitori, i cromosomi non sono in realtà uguali a quelli parentali essendo passati attraverso il passaggio di scambio di materiale genetico (ricombinazione) anche noto come crossing-over.

Una modalità riproduttiva questa mai descritta prima in altri organismi, fatto che apre la discussione sul motivo per cui si sia evoluta (ovvero sia stata selezionata) tale variante.

Una possibilità è che dato che il genoma W è veicolato unicamente dal maschio (le operaie sono sterili), il “rifiuto” di una parte delle cellule spermatiche portatrici di W di fondersi con il nucleo della cellula uovo, favorirebbe la sopravvivenza nel pool genomico di questo genoma. L'ipotesi è che queste due linee genomicamente distinte si sarebbero evolute in modo indipendente in due popolazioni di formiche separate che alla fine si sono mescolate.

Ipotesi alternativa è che si sarebbe partiti da una sola popolazione che dopo avere originato due popolazioni distinte, sviluppando tratti diversi, si sia poi "ricongiunta" a formare questo ibrido in cui due pool genomici sono in lotta tra loro (caso estremo di "gene egoista" formulato da Richard Dawkins?).

Per quanto riguarda il vantaggio (o meglio, perché sia stato selezionato questo sistema), potrebbe essere legato al loro successo come specie tra le più invasive al mondo. Infatti dato che la fusione dei nuclei R e W dà luogo solo a operaie sterili, le due linee non potranno mai mescolarsi evitando ogni possibilità di consanguineità, una caratteristica invece presente in altre specie di formiche invasive di minor successo. Sul lungo periodo consanguineità estrema equivale a minori risorse per affrontare cambiamenti nell'ecosistema.

Nota. Il chimerismo non è una novità assoluta, essendo stata rilevata anche in altre creature, compresi gli umani, ma si tratta in genere di incidenti di percorso e non della norma di una specie. Un esempio di chimerismo negli umani si può osservare nei soggetti affetti da sindrome di Down in cui la trisomia del cromosoma 21 è spesso limitata solo ad una certa percentuale delle cellule, a seconda di quanto precocemente nello sviluppo post-zigotico è avvenuta la mitosi con segregazione anomala (più sono le cellule coinvolte, più marcata la sintomatologia Down)

Si stima che esistano circa 20 mila specie di formiche, gran pare delle quali poco o nulla studiate. Chissà che in futuro si abbiano altre sorprese sulla loro genetica anche considerando l’essere un gruppo di formidabile successo, in giro sul nostro pianeta da circa 160 milioni di anni, ben prima dei dinosauri.