Elysia chlorotica: la lumaca fotosintetica

Elysia chlorotica, nota anche come lumaca ad energia solare (solar empowered sea slug), è un animale marino dal colore verde brillante e dalla forma di foglia ed è uno dei pochi animali in grado di vivere per mesi utilizzando la sola energia solare. Ma come fa? Fotosintetizzando, esattamente come le piante. Come vedremo nell’articolo, Elysia chlorotica è un esempio vivente di convergenza di mondi che, nel senso comune, sono sempre stati considerati separati: il mondo vegetale e il mondo animale.

Elysia chlorotica e fotosintesi

Elysia chlorotica è un mollusco gasteropode di dimensioni minute: la lunghezza massima registrata è di 6 cm, mentre il valore medio si aggira tra i 2 e 3 cm^[7]. All’apparenza, questo animale ricorda in molti aspetti una foglia. Gli adulti presentano infatti delle venature sulla parte dorsale del corpo e un colorito verde brillante, il quale permette loro di confondersi perfettamente con l’ambiente in cui vive, quello palustre.

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Cleptoplastia, il furto dei cloroplasti

Elysia chlorotica è uno tra i pochissimi animali in grado di effettuare la fotosintesi: un altro esempio è rappresentato da Costasiella kuroshimae (anche nota come pecora di mare, leaf sheep in inglese), anch’esso un mollusco gasteropode appartenente all’ordine dei Sacoglossa (così come Elysia).

La capacità di utilizzare l’energia solare e di tramutarla in energia utile alla cellula (fotosintesi) è molto diffusa nel mondo vegetale. Il processo di fotosintesi avviene all’interno dei cloroplasti ed Elysia chlorotica riesce ad ottenere questi organelli rubandoli alle alghe di cui si nutre, appartenenti alla specie Vaucheria litorea. Il processo di acquisizione dei cloroplasti da parte del gasteropode viene definito cleptoplastia, dal greco kleptes, “ladro”, e plastòs, che fa riferimento appunto ai cloroplasti.

Vaucheria litorea è un’alga verde dall’aspetto filamentoso. Elysia chlorotica, quando deve nutrirsi, rompe la parete delle cellule dell’alga con l’aiuto della radula, ossia con la struttura boccale utilizzata dai molluschi per afferrare il cibo e triturarlo. Una volta perforata la parete cellulare, Elysia chlorortica succhia via tutto ciò che si trova al suo interno, proprio come se stesse utilizzando una cannuccia^[7].

Tutto il contenuto della cellula vegetale viene quindi digerito, fatta eccezione per i cloroplasti. Questi vengono infatti incorporati all’interno dei diverticoli digestivi dell’animale e donano loro il tipico colore verde. I cloroplasti rimarranno nel sistema digerente per tutta la loro esistenza ed i diverticoli andranno via via a costituire un vero e proprio tappeto verde subito al di sotto dell’epitelio esterno dell’animale: questo, essendo trasparente, mostrerà nella sua interezza il colore brillante dei cloroplasti^[7].

La simbiosi tra il cloroplasto ed Elysia chlorotica è talmente tanto stabile che l’animale può sopravvivere per oltre un anno a digiuno, sostentandosi solamente con gli zuccheri prodotti dei cloroplasti^[4].

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Studi genetici su Elysia chlorotica

Secondo la teoria endosimbiotica, i cloroplasti si sarebbero originati in seguito all’ingestione di un cianobatterio da parte di un organismo eucariote unicellulare. Quando i cloroplasti vennero così integrati nelle cellule vegetali primordiali, possedevano quindi già un proprio genoma ed erano in grado di sopravvivere in completa autonomia.

Con il passare del tempo ed il progredire dell’evoluzione, una parte del materiale genetico dei cloroplasti venne passato dal genoma del plastidio a quello della cellula vegetale (trasferimento genetico orizzontale), la quale in questo modo iniziò a produrre le proteine utili al suo simbionte. Al giorno d’oggi, non a caso, i cloroplasti fanno affidamento sul genoma vegetale per la maggior parte delle proteine a loro necessarie^[6].

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Quando il cloroplasto si trova nella cellula vegetale, tutte le sue componenti che vengono danneggiate sono prontamente sintetizzate e sostituite dall’apparato biosintetico della cellula stessa. Pertanto, quando le cellule vegetali vengono digerite da Elysia chlorotica, allo stesso modo anche i geni plastidiali presenti nel genoma nucleare vengono distrutti. Senza queste proteine, i cloroplasti non dovrebbero dunque essere in grado di sopravvivere da soli, ma in Elysia chlorotica riescono comunque a rimanere vitali e funzionanti fino a nove mesi^[5]. La domanda sorge spontanea: come fanno questi organelli ad avere una vita così lunga in assenza di geni fondamentali?

Elysia chlorotica potrebbe evitare di arrecare danno agli organelli, così che non ci sia bisogno di sostituirli. L’animale presenta non a caso un atteggiamento fossorio e cerca l’ombra durante le ore più calde; ciò non spiega però in modo soddisfacente la longevità dei cloroplasti all’interno dell’organismo. Infatti, i pigmenti fotosintetici devono comunque essere rimpiazzati di continuo^[7]. La risposta che gli scienziati cercavano ha dell’incredibile! In molti articoli scientifici viene riportata l’evidenza dell’integrazione di alcuni geni algali nel genoma di Elysia chlorotica, il che testimonierebbe un trasferimento genetico orizzontale: proprio come successe quando i cianobatteri instaurarono il rapporto simbiotico con gli eucarioti.

Lo studio genetico di Elysia chlorotica ebbe però inizio molto prima che il suo genoma fosse sequenziato. Grazie a tecniche innovative di sequenziamento (come Illumina e PacBio), infatti, soltanto nel 2019 è stato possibile sequenziare ed assemblare il genoma di Elysia chlorotica^[2].

Vari studiosi avevano tuttavia già dimostrato che, all’interno del DNA dell’animale, fossero appunto presenti anche dei geni algali: nel 2008, venne ad esempio rilevata la presenza dei geni codificanti per la proteina psbO, fondamentale per il corretto funzionamento del fotosistema II. È stato anche dimostrato che questi geni vengono trasmessi alla progenie. Questo dimostra che i geni dei cloroplasti sono integrati ad un livello tale che si dividono e si moltiplicano insieme ai geni di Elysia chlorotica^[5].

Uno studio ancora più sorprendente pubblicato nel 2009 dimostra invece che, all’interno del genoma di Elysia chlorotica, sono presenti addirittura dei geni codificanti per enzimi coinvolti nella sintesi della clorofilla A^[4]. La clorofilla A è una molecola presente nelle cellule vegetali e necessaria per il corretto funzionamento del cloroplasto, in quanto permette di catturare la luce utile alla fotosintesi.

Distribuzione ed habitat di Elysia chlorotica

Elysia chlorotica è diffusa lungo la costa orientale del Nord America, fino alle coste della Florida^[7]. Vive principalmente a basse profondità (fino a 50 cm) nelle paludi salmastre (salt marshes) e nelle pozze di marea: non è affatto raro trovare degli esemplari nascosti addirittura nella sabbia. La vicinanza alla superficie è una condizione fondamentale per questo organismo, in quanto gli permette di sfruttare la luce solare per effettuare fotosintesi.

Elysia chlorotica è in grado di sopravvivere sia in ambienti di acqua dolce che in ambienti a salinità moderata. Solitamente, i cambiamenti di salinità possono causare gravi danni all’organismo a causa dei processi di osmosi . Infatti, quando un animale di acqua dolce si trova in un ambiente con concentrazioni saline più alte di quelle delle sue cellule, queste tendono a rinsecchirsi; al contrario, in ambienti meno salati rispetto all’ambiente intracellulare, le cellule tendono a gonfiarsi d’acqua fino a scoppiare. Elysia chlorotica riesce però ad aggirare questo problema mantenendo pressoché costante il volume delle proprie cellule nel tempo e indipendentemente dai cambiamenti di salinità^[1].

Riproduzione e ciclo vitale

Elysia chlorotica è un animale ermafrodita e gli individui producono quindi allo stesso tempo sia uova che spermatozoi. L’autofecondazione è un evento che avviene di rado mentre la fecondazione incrociata è di gran lunga più frequente. Questi organismi presentano inoltre una fecondazione interna: la fecondazione della cellula uovo avviene in altri termini all’interno del corpo dell’animale.

Una volta fecondate, le uova vengono deposte in lunghi filamenti. Dalle uova sguscerà una larva liberamente natante (detta larva veliger). Successivamente, la larva effettuerà una metamorfosi che le permetterà di aderire al substrato. Lo stadio che ne uscirà è definito “stadio giovanile” e l’organismo non è altro che una versione in miniatura dell’adulto ma privo dei pigmenti verdi. A questo punto della sua vita, Elysia chlorotica è infatti marrone con delle piccole macchie rosse^[7].

Questa evidenza dimostra che i cloroplasti non sono trasferiti dai genitori alla prole ma che essi vengono al contrario acquisiti non appena l’individuo inizia a nutrirsi dell’alga Vaucheria litorea. Dopo un giorno dal primo pasto a base di alghe, Elysia chlorotica assume il suo tipico colorito verde brillante, dovuto all’incorporazione dei cloroplasti algali nelle sue cellule. Inizialmente, l’animale deve continuare a nutrirsi per riuscire a mantenere i propri cloroplasti attivi e il proprio colore verde vivido, ma dopo alcuni giorni la simbiosi diventa stabile e l’animale può smettere di nutrirsi di continuo^[7].

Conclusioni

Elysia chlorotica ha dimostrato al mondo scientifico che la natura non è costituita da compartimenti stagni perfettamente isolati tra loro, ma che è al contrario un connubio tra mondi che, nel senso comune, sono considerati distinti e separati. In Elysia chlorotica si incontrano e si fondono in modo straordinario il mondo animale e quello vegetale, risultando in un organismo unico nel suo genere, in grado di sopravvivere anche a lunghi periodi di digiuno che avrebbero condannato a morte la maggior parte degli organismi esclusivamente eterotrofi.

Articolo redatto con il contributo di Selene Acconci.

Referenze

1. Animal Diversity Web – Elysia chlorotica;
2. Cai, H., et al. (2019). A draft genome assembly of the solar-powered sea slug Elysia chlorotica. Scientific Data 6, 190022;
3. Pelletreau, K. N., et al. (2014). Lipid accumulation during the establishment of kleptoplasty in Elysia chlorotica. PLoS One, 9(5), e97477;
4. Pierce, S. K., Curtis, N. E., & Schwartz, J. A. (2009). Chlorophyll A synthesis by an animal using transferred algal nuclear genes. Symbiosis, 49(3), 121-131;
5. Pierce, S. K., et al. (2007). Transfer, integration and expression of functional nuclear genes between multicellular species. Symbiosis, 43, 57-64;
6. Rumpho, M. E., et al. (2008). Horizontal gene transfer of the algal nuclear gene psbO to the photosynthetic sea slug Elysia chlorotica. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 105(46), 17867–17871;
7. University of Maine. School of Biology and Ecology – SymBio: A look into the life of a solar-powered sea slug.

Immagine di copertina di Mary S. Tyler, da [6], Copyright 2008 National Academy of Sciences.