Evoluzione dei frutti: i principali meccanismi molecolari alla base dello sviluppo dei frutti carnosi sono apparsi già nelle Gimnosperme

The fruit is a typical Angiosperm structure that derives from an ovary after fertilisation. It has greatly contributed to the evolutionary success of Angiosperms because of the fundamental role played in the dispersal of seeds. Gymnosperms produce seeds like Angiosperms but, unlike the latter, they do not make flowers, therefore they cannot develop fruit proper. However, in all living Gymnosperm taxa (Cycadales, Ginkgoales, Coniferales and Gnetales) species can be found that produce seeds surrounded by fleshy structures. The latter would not be a real fruit because they are not originated from ovaries which are present only in flowers. However, from a functional point of view these structures behave like real fruits because they facilitate the dispersal of seeds. The aim of this work is to study some of the molecular mechanisms involved in the development and ripening of fleshy structures in two Gymnosperms: Ginkgo biloba and Taxus baccata. They represent two Gymnosperms whose seeds are surrounded by fleshy structures that have different origins. In ginkgo it is the external integument of the seed that grows and becomes fleshy, while in yew the fleshy aril develops de novo from the peduncle at the base of the ovule. Regarding development, MADS-box genes belonging to different groups (i.e. AGL6 and TM8) were studied. The expression pattern of these genes was determined for both species in several tissues, with particular attention for the pulp at different stages of development. Results indicate a possible role for the above genes during the formation and ripening of both ginkgo and yew “fruits”. Interestingly, a previous study had demonstrated that another MADS-box gene (i.e. AGAMOUS) was involved in fruit development and ripening in the same species (Lovisetto, 2007). These results suggest that similar genes have been recruited for the development of fleshy fruits in Angiosperms and Gymnosperms. In order to investigate the molecular aspects of the ripening syndrome, several genes involved in the softening process, in the change of color, in the synthesis and perception of ethylene were studied both in ginkgo and yew. Results indicate a strong similarity between aril and Angiosperm fruits as regards the ripening process even though ethylene does not appear to be produced by a system 2 pathway as occurs in the truly climacteric fruits. Based on the function performed and the molecular characteristics studied in this work, the fleshy structures surrounding the Gymnosperm seeds can be defined fruits. Thus, the “fruit” function seems to have developed in parallel with the seed and to have pre-dated the appearance of the flower.

Il frutto, inteso come struttura derivata dall’ovario in seguito ad un evento di fecondazione, è esclusivo delle Angiosperme. Esso ha contribuito enormemente al successo evolutivo di queste piante dato il ruolo fondamentale che svolge nel processo di dispersione dei semi. Tuttavia, anche le Gimnosperme producono i semi, anche se a differenza delle Angiosperme non fanno fiori. In tutti i principali taxa di Gimnosperme viventi (Cycadales, Ginkgoales, Coniferales e Gnetales) sono presenti specie che producono semi circondati da strutture carnose che non sarebbero veri frutti perché non sono originate da ovari. Però, da un punto di vista funzionale, queste strutture sono da considerarsi come dei frutti poiché, come nel caso dei frutti delle Angiosperme, anch'esse facilitano la dispersione dei semi. In questo lavoro sono stati studiati alcuni meccanismi molecolari coinvolti nello sviluppo e nella maturazione dei “frutti” di due Gimnosperme: Ginkgo biloba e Taxus baccata. Queste due specie sono state scelte perché rappresentano due modelli sperimentali diversi. Nel caso del ginkgo è il tegumento esterno del seme che diventa carnoso e si trasforma in frutto, mentre nel caso del tasso la struttura carnosa è costituita da un arillo che si forma ex novo dalla base dell'ovulo. Per quanto riguarda lo sviluppo, in entrambe le specie, sono stati studiati geni di tipo MADS-box appartenenti a due gruppi diversi: AGL6 e TM8. Il pattern di espressione di questi geni è stato analizzato per entrambe le specie con particolare attenzione per la polpa a diverso stadio di sviluppo. Da queste analisi è emerso come questi geni siano espressi durante la formazione e la maturazione sia dell’arillo di tasso che della polpa di ginkgo. Inoltre, visto che anche il gene AGAMOUS partecipa allo sviluppo e alla maturazione sia del “frutto” di tasso che del “frutto” di ginkgo (Lovisetto, 2007), si può concludere che geni regolativi simili a quelli espressi nei frutti veri delle Angiosperme sono implicati anche nello sviluppo delle strutture carnose che circondano i semi di tasso e di ginkgo. Poiché nulla era noto a livello molecolare riguardo alla sindrome di maturazione dell’arillo di tasso e della polpa di ginkgo, sono stati isolati e analizzati anche alcuni geni che nelle Angiosperme codificano per enzimi coinvolti nei processi di rammollimento, cambiamento di colore e sintesi e percezione di etilene. I risultati hanno mostrato come nella maturazione dell’arillo di tasso siano coinvolti lo stesso tipo di geni che operano nella maturazione dei veri frutti delle Angiosperme, anche se nel caso dell’etilene ci sono delle differenze rispetto a quanto avviene nei frutti climaterici. Invece, nel caso del ginkgo sembra che la polpa vada incontro a un processo di senescenza in generale più che a un processo di maturazione vera e propria. In conclusione, i risultati di questo lavoro suggeriscono che nel corso dell'evoluzione la funzione “frutto” si sia evoluta assieme al seme e abbia quindi preceduto la comparsa dei fiori.