di FRANCESCO SALAMINI
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"Si è calcolato che il lavoro sul Pisello abbia imposto a Mendel di controllare circa 10.000 piante, 40.000 fiori e 300.000 semi."i
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Riassunto
Viene presentato il ruolo di Mendel come padre fondatore della Genetica. Si dà rilievo all’importanza della sua educazione, ai contenuti del suo principale scritto del 1866 (metodi; cura delle piante; terminologia; materiali; analisi dei dati; risultati), ai tentativi di rendere nota la sua visione dell’eredità, alla riscoperta di quelle che oggi sono note come leggi di Mendel. Viene anche riassunta la rilevanza di Mendel nel proporre una teoria divenuta, poi, termine di confronto nell’analisi di argomenti biologici che potevano rappresentare eccezioni alla stessa, anche se solo apparenti, come allopoliploidia, fattori genetici multipli, apomissia, semi dominanza, rapporto numerico tra i sessi, fattori gametofitici.
Summary
Mendel’s experiments and their current relevance
The contribution summarizes the unique role of Gregor Mendel as the founder of Genetics. The note includes discussions on the importance of his education, on the content of his main contribution published in 1866 (methods; plant handlings; terminology; materials; data analysis; results), on the action taken by Mendel to communicate his discoveries, and on the re-discovery of Mendel work. The Mendel laws are considered as focal points in the analysis of biological arguments appearing as putative exceptions to mendelism, exceptions frequently only apparent, such as allopolyploids, duplicated genetic factors, apomixis, semi-dominance, sex ratio, gametophytic factors.
INTRODUZIONE
Gregor Mendel¹ ha offerto alla scienza un contributo epocale, ma il suo messaggio presupponeva l’accettazione di aspetti metodologici dove, per la prima volta, il calcolo combinatoriale, allora sconosciuto ai biologi, veniva applicato allo studio dell’eredità. È, infatti, a partire da rapporti matematici che Mendel propose l’esistenza di determinanti ereditari di natura discreta, oggi chiamati geni. “Senza le conoscenze di citologia e cromosomiche, senza l’analisi di Weismann sul ruolo del nucleo, e senza tutte le scoperte biologiche sopravvenute tra il 1865 e il 1900, Mendel propose un nuovo modo di considerare l’eredità” (Mayr, 1982). Negli ultimi 120 anni si è discusso alla noia del perché Mendel sia stato dimenticato per 34 anni prima che le sue conclusioni, pubblicate nel 1866, venissero accettate. Una possibile ragione è che, in quegli anni, la scienza biologica si presentava alle società umane sulla base delle proposte di Charles Darwin con argomenti evolutivi affascinanti per le loro implicazioni scientifico-filosofiche (Lewontin, 2004; Abbondandolo, 2015). Al contrario, la scoperta di Mendel, dal punto di vista filosofico, era meno interessante: proponeva solo un meccanismo che, però, sarebbe - e come - servito a Darwin per dare anche più sostanza scientifica alla sua teoria dell’evoluzione: è evidente che Darwin non ha spiegato l’origine della variabilità biologica. La chiave della ereditarietà dei caratteri, ma anche dell’origine della variabilità, si nascondeva, al tempo, nel lavoro di Mendel. Edward M. East (1923) era convinto che se c’era qualcuno in grado di capire quel lavoro, questo era Darwin (oltre che Galton² ). La storia di Mendel, contrapposta a quella di Darwin, è, invece, quella di un gentile rivoluzionario nato troppo presto, e che non ha goduto, per emergere, delle spalle di giganti e maestri (Henig, 2000). In sintesi, il suo contributo alla biologia moderna, concentrato in un paio di pubblicazioni, va dalla descrizione di elementi assimilabili ai geni di oggi e dalle sue tre famose leggi (uniformità della F1, segregazione, indipendenza dei caratteri), alla dimostrazione dell’utilità della matematica in biologia, fino ad offrire un paradigma predittivo del DNA. Curiosamente, nel suo sviluppo la genetica ha poi assunto un ruolo culturale che, secondo Bianchi (1997), la rende una disciplina biologica generale soffusa di atmosfera caratteristicamente filosofica. Nel nostro secolo, specialmente nei suoi aspetti biotecnologici, sta addirittura ipotecando il nostro futuro.
EDUCAZIONE
Per comprendere lo sviluppo del percorso scientifico di Mendel, è necessario accennare a come, nel periodo educativo, sia stato introdotto alla scienza. Friedrich Franz, Il professore della scuola che Mendel aveva frequentato prima di entrare in Convento, nel raccomandarlo all’abate Cyril Napp lo presentava come uno dei migliori studenti di fisica. Questa sua attitudine si manifestò anche a Vienna dove, appena arrivato all’Università³ , divenne assistente all’Istituto di Fisica, una posizione riservata agli studenti più bravi e seri. Dal 1851 al 1853 Mendel studiò in quella Università, frequentando il corso di fisiologia vegetale e botanica tenuto da Franz Unger. Questo professore era convinto che nelle popolazioni naturali esistessero individui varianti che caratterizzavano le varietà o le sottospecie. Già allora Mendel fu un accanito lettore dei testi di Josef Kölreuter (1761- 1766) e di Carl Friedrich Gärtner (1849) che trattano degli ibridi tra specie e varietà di piante (Rocchi, 2022). Inoltre, Mendel conosceva anche il lavoro di Franz Unger dove si dimostrava che le cellule della pianta si originano per divisione più che per spontanea neoformazione. Questo indirizzò Mendel verso la conclusione sul ruolo delle cellule riproduttive nella formazione degli ibridi e nelle loro segregazioni⁴ (Wallace, 2002-2003). A Vienna, Mendel seguì non solo i corsi di scienze naturali, ma anche di matematica e fisica. All’Accademia Imperiale delle Scienze, in quegli anni il fisico Andreas von Baumgartner proponeva la necessità di creare legami tra botanica, zoologia e fisica; erano tempi in cui si sollecitava anche l’uso della matematica per valutare dati sperimentali relativi anche alle scienze biologiche. Insieme, i fisici Andreas von Baumgartner, Andreas von Hettingshausen e Christian Doppler ebbero un ruolo positivo nell’educazione di Mendel (Accademia Nazionale dei Lincei, 1984). Mendel seguì il corso di fisica sperimentale di Doppler; dopo il suo ritiro l’insegnamento fu tenuto da Hettingshausen, autore dell’importante libro di testo Combinatorial analysis (Darwin, che pubblica L’Origine delle specie nel 1859, non considerò nel formulare la sua proposta i contributi di matematica, fisica e statistica applicati all’eredità dei caratteri). Dopo il suo ritorno a Brno, Mendel ebbe la possibilità di completare la sua formazione scientifica avendo accesso alla biblioteca del Convento che era dotata di più di 20.000 volumi. Inoltre, a Brno per diversi anni insegnò la fisica.
IL CONTRIBUTO DEL 1866: LE VERSUCHE
Metodi
Mendel introduce la sua metodologia con parole molto precise: “Al compito ... di seguire lo sviluppo degli ibridi nelle loro discendenze hanno sacrificato parte della loro vita.... attenti osservatori come Kölreuter, Gärtner, Herbert, Lecocq, Wichura ed altri... Se ancora non si è riusciti a stabilire una legge universalmente valida per la formazione e lo sviluppo degli ibridi, ciò non recherà meraviglia ad alcuno che conosca la portata dell’assunto e che sappia valutare le difficoltà con le quali si trovano a dover lottare per realizzare adatti esperimenti. Un responso definitivo si potrà raggiungere soltanto quando si disporrà di esperimenti di dettaglio condotti in piante appartenenti ai più diversi ordini ... Fra i numerosi esperimenti non ve n’è alcuno eseguito in dimensioni e maniera tali da rendere possibile di determinare il numero delle diverse forme in cui si presentano i discendenti degli ibridi, talché si possano con sicurezza ordinare queste forme nelle singole generazioni, fissandone i reciproci rapporti numerici”. “La presente trattazione descrive la prova di un siffatto esperimento di dettaglio”. L’uso di Mendel della matematica per interpretare esperimenti biologici e gli sviluppi teorici della sua teoria - che hanno stimolato dopo il 1900 nuovi esperimenti di verifica - sono il primo esempio di metodi avanzati applicati in biologia. Il fidarsi del calcolo combinatoriale e la sicurezza nel praticarlo, furono, infatti, parte importante del suo genio. Questa fiducia nella matematica gli ha permesso, nell’impostazione degli esperimenti e nelle conclusioni-interpretazioni dei dati, di adottare senza patemi il metodo ipotetico-deduttivo. Si deve anche accennare al dettaglio, non insignificante, che nessuno prima di Mendel aveva fatto in biologia un piano sperimentale così accurato al solo scopo di curiosità scientifica (Rocchi, 2022). Relativamente alla critica di Fischer circa i numeri riportati per le segregazioni e utilizzati per stabilire i rapporti tra versioni alternative dei caratteri – numeri troppo precisi secondo Fischer – è stato considerato che Mendel possa aver continuato a ripetere lo stesso incrocio fino a che i numeri si avvicinavano ai rapporti attesi (Mayr, 1982).
Cura delle piante
Le piante con caratteri differenziati, utilizzate per produrre ibridi, dovevano, negli anni, mantenere fisso il carattere che manifestavano. I fiori degli ibridi dovevano essere protetti per evitare l’incrocio accidentale. Gli ibridi e le loro progenie non dovevano manifestare sterilità, situazione da accertare con cura, anche per rivelare solo una eventuale semisterilità. La scelta di una leguminosa era giustificata perché le specie della famiglia hanno fiori che tendono ad evitare l’alloincrocio.
Terminologia
Definisce gli stati di dominanza e recessività, termini poi usati sempre in genetica. Introduce il simbolo dei caratteri come lettera maiuscola per la versione dominante (dominirende) e minuscola per quella recessiva (recessive) (A vs a; B vs b etc.). Questo uso delle lettere in binomio è stata un’importante iniziativa di Mendel (Henig, 2000). Correns, invece dei termini di Mendel Merkmal o Elemente, usa Anlage che fa riferimento alla cosa che genera una caratteristica, più che alla stessa caratteristica (suggerisce, inoltre, che il set completo delle Anlage potrebbe localizzarsi nel nucleo cellulare; Rocchi, 2022). Il termine Regel introdotto da Correns indica una regola, non una legge. Mendel, in verità, non ha riassunto le sue conclusioni in forma di leggi; queste sono state introdotte dopo la sua riscoperta⁶ (Fantini, 2001). Anche Il quadrato di Reginald Crundall Punnet, poi universalmente adottato per illustrare le combinazioni tra gameti, apparve per la prima volta nel 1911 nel libro di Punnet “Mendelism” (Henig, 2000). Nella Versuche, Mendel usa almeno dieci volte la parola “Elemente” che ragionevolmente ora corrisponde al nostro concetto di gene.
Materiali
Rende da subito chiaro che gli ibridi da considerare non devono essere sterili o parzialmente sterili (comportamento da accertare con molta cura). Inizia con il considerare 34 varietà di pisello che vengono valutate per due anni per stabilirne l’omogeneità rispetto al carattere allo studio. Scarta quelle che fanno eccezione e ne conserva 22 che si dimostreranno stabili nel fenotipo per tutti gli anni di durata degli esperimenti. Seleziona sette coppie di varietà, ciascuna coppia con due versioni dei caratteri seme liscio o seme rugoso, colore dell’endosperma giallo o verde, pericarpo del seme bianco o grigio, baccello liscio o con costrizioni, colore del baccello immaturo verde o giallo, fiori assiali o terminali, pianta alta o nana. Gli ibridi venivano prodotti nelle due direzioni (AA madre - aa donatore di polline; aa madre - AA donatore di polline), e dovevano risultare fenotipicamente indistinguibili. Al fine di ottenere, specialmente nelle generazioni segreganti, credibili rapporti di segregazione, riteneva metodologicamente importante pianificare esperimenti basati su un elevato numero di piante: si è calcolato che il lavoro sul pisello abbia imposto a Mendel di controllare circa 10.000 piante, 40.000 fiori e 300.000 semi.
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Le 7 caratteristiche scelte da Mendel per i suoi esperimenti (dominanti in maiuscolo)
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Analisi dei dati
Il commento di Mendel ai suoi dati ha una chiarezza propria delle leggi fisiche, una chiarezza non più raggiunta da coloro che poi riscoprirono le sue leggi (Czihac, 1984). Conosceva e utilizzava con disinvoltura il calcolo combinatoriale. Questa sua famigliarità si può anche desumere, oltre che da come presenta i risultati, da una osservazione che fa nella discussione delle Versuche. Scrive che se due parentali differissero per 7 caratteri, e se venissero allevate 100-200 piante F2 al fine di stabilire le relazioni tra le diverse combinazioni di fenotipi, le conclusioni sarebbero quanto mai aleatorie, perché la serie delle combinazioni indicherebbe la necessità di osservare e caratterizzare 16.384 individui, distribuiti in 2187 forme (e le piante simili ai parentali ricomparirebbero una sola volta per ciascun parentale). Dal testo risulta evidente che gli esperimenti di rincrocio sono stati condotti per ultimi come verifica dei risultati delle F1 e delle F2 (Rocchi, 2022).
Risultati
A seconda dei testi che si consultano, le leggi di Mendel sono riportate come due o come tre. In generale possono definirsi della dominanza, della segregazione e dell’assortimento indipendente dei caratteri. È inutile, considerati i destinatari di questo manoscritto, citare i dati prodotti per i rapporti F2 3:1, suddiviso poi in 1:2:1 per i genotipi AA: Aa: aa. Le Versuche sviluppano anche, dimostrando la famigliarità con il calcolo combinatoriale, le probabilità dei fenotipi delle progenie degli ibridi fino alla generazione n, secondo la serie 2n-1: 2: 2n-1 (per n = 5, per esempio, si ottiene 31: 2: 31, rispettivamente per AA: Aa: aa; da qui l’insistenza su esperimenti con numeri elevati di individui: una corretta approssimazione sperimentale della frequenza di Aa (teoricamente pari a 2 su 64) richiede molto più di 64 individui. Usa ancora l’approccio combinatoriale per stabilire l’indipendenza tra caratteri sviluppando i rapporti 9: 3: 3: 1 (due caratteri segreganti: fenotipi AB, Ab, aB, ab) e 27: 9: 9: 9: 3: 3: 3: 1 (tre caratteri segreganti: fenotipi ABC: ABc: AbC: aBC: Abc: aBc: abC: abc). Kölreuter è largamente citato nelle Versuche: aveva intuito e scritto che caratteri diversi potevano essere ereditati indipendentemente; anche i lavori di Gärtner erano ben noti a Mendel⁷ .
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Incrocio per due coppie di caratteri, rotondo/rugoso (Aa) x giallo/verde (Bb).
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In sintesi, Mendel credeva che i caratteri passassero, da genitori a figli, come unità individuali discrete, in modo prevedibile, consistente e matematicamente preciso (Henig, 2000).
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Dalla figura, ripresa dalle Versuche, si desume visivamente la posizione di Mendel relativa alla trasmissione dei caratteri via gameti maschili e femminili. |
I TENTATIVI DI MENDEL DI RENDERE NOTI I SUOI RISULTATI
Mendel sentiva la necessità di diffondere i suoi risultati, almeno se si considera il contenuto delle sue lettere. Voleva, in particolare, verificare se le regole stabilite per il pisello valevano anche per altre piante, compreso lo Hieracium. Per parte sua, confermò i dati di Pisum con incroci di Mattiola annua e glabra, Zea e Mirabilis, ma, stranamente, non rese noto che i nuovi dati confermavano la pubblicazione del 1866. Sull’argomento ebbe una lunga corrispondenza (1866-1873) con Carl Nägeli, professore di Botanica a Monaco⁸. Nägeli non recepì la novità del lavoro di Mendel perché non credeva che la manifestazione di un carattere passasse inalterata attraverso le generazioni. Perché Mendel scriveva a Nägeli nel periodo in cui erano ancora in corso i lavori su Hieracium⁹ ? Forse cercava incoraggiamenti, ma anche che qualcuno ripetesse i suoi esperimenti (Wallace, 2002-2003). Mendel ordinò 40 estratti del suo lavoro del 1866 e almeno una dozzina fu spedita a importanti botanici del tempo. Una copia a Kerner von Marilaun, compagno di corso di Mendel a Vienna. Le pagine dell’estratto sono rimaste non separate e quindi non lette. Un secondo estratto, non letto perché a pagine unite, arrivò a Darwin² . Un terzo raggiunse Martinus Beijerinck. olandese, che, avendo saputo che De Vries stava pubblicando sugli ibridi delle piante, tra il 1898 e il 1900 glielo spedì. Un quarto arrivò al Max Planck Institute di Tubingen sul tavolo di Boveri, uno degli scopritori della teoria cromosomica della cellula. Un quinto esiste nella biblioteca dell’Istituto di Botanica di Graz dove Unger aveva insegnato prima di spostarsi a Vienna; l’estratto era intonso. Un sesto raggiunse il botanico Matthias Jacob Schleiden. Sono stati ritrovati altri cinque estratti ma non si conosce chi li abbia ricevuti. L’ultimo estratto spedito a persona nota è quello di Nägeli (Henig, 2000). Bisogna anche considerare che Mendel aveva veramente anticipato i tempi¹⁰: per esempio, la meiosi, che è alla base delle segregazioni fenotipiche e genetiche, fu scoperta solo 25 anni dopo la pubblicazione delle Versuche. Ha giocato un ruolo anche la scarsissima diffusione della rivista su cui Mendel ha pubblicato (Wallace, 2002-2003).
LA RISCOPERTA DI MENDEL
Nel 1900, la ricerca di spiegazioni alternative alla teoria che l’ereditarietà dei caratteri avvenisse per il mescolamento dei contributi di due genitori, stimolò la produzione di risultati che la volevano dimostrare di natura discontinua. Nel preparare le relative pubblicazioni, Hugo de Vries e Karl Correns riscoprirono il contributo di Mendel. De Vries (1900a), nella nota sui Comtes Rendus, non aveva citato Mendel; Correns si insospettì, presumendo che De Vries volesse avere il merito di essere arrivato indipendentemente alle stesse conclusioni di Mendel. Nelle due note dello stesso anno (1900b, c), tuttavia, De Vries citò Mendel (Fantini, 2001). Anche Erich von Tschermak è stato incluso tra i riscopritori, anche se era chiaro che non aveva compreso i contenuti delle Versuche (Henig, 2000). È vero che Wilheim Olbers Focke già nel 1881 cita Mendel quindici volte, ma non in modo lusinghiero (“Mendel ha creduto di aver trovato ...”). Le scoperte fatte tra la pubblicazione di Mendel e la sua riscoperta, come l’attenzione ai cromosomi e il meccanismo di divisione cellulare, avrebbero dovuto aiutare a comprendere il lavoro di Mendel, ma non giocarono alcun ruolo nella sua riscoperta (Cavalli-Sforza, 2002-2003). Le stesse scoperte avrebbero potuto essere di Mendel se questi, a suo tempo, fosse stato incoraggiato a continuare le sue analisi genetiche. La teoria dell’eredità trasmessa dai cromosomi è stata da subito considerata la base fisica delle leggi di Mendel, anche se, in senso evolutivo, dal 1900 al 1960 la ricombinazione tra cromosomi omologhi venne relativamente poco considerata. I chiasmi cromosomici erano noti fino dal 1880 dal lavoro di August Weismann, ma solo con l’equazione “chiasmata = crossing over” di Cyril Dean Darlington il fenomeno divenne universalmente accettato (Mayr, 1988). Frank Raphael Weldon tentò di opporsi, con altri, all’accettazione del contributo di Mendel. In particolare, riconsiderò i dati sui rapporti mendeliani per il colore dei cavalli da corsa che Charles Chamberlain Hurst, nel 1905, aveva sottoposto alla Royal Society. I dati di Hurst erano stati desunti dai pedigree ufficiali dei cavalli da corsa inglesi e Weldon vi scoprì significativi errori. Hurst, tuttavia, dimostrò che le eccezioni di Weldon erano dovute ad errori di trascrizione, lasciando così via libera alle regole di Mendel anche per il regno animale (Rocchi, 2022).
RILEVANZA DELLE LEGGI DI MENDEL: LE ECCEZIONI APPARENTI
Allopoliploidia
Secondo Mayr (1982), Joseph Gottlieb Kölreuterer è stato il primo a proporre la nascita di una nuova specie dall’incrocio interspecifico. Aveva incrociato Nicotiana rustica con N. paniculata e osservato la costanza delle piante F1 ottenute. Gli ibridi, pur vigorosi, erano, però, sterili. Si specializzò nelle ibridazioni interspecifiche: ne produsse moltissime a partire da almeno 138 specie. Anche Carl Friedrich Gärtner adottò questo approccio effettuando circa 10.000 incroci e ottenendo 250 ibridi diversi. Una delle eccezioni apparenti alle leggi di Mendel riguardava il comportamento di diversi ibridi interspecifici che generavano progenie F2 composte da piante tutte uguali, i cosiddetti “constant species-hybrids” (Correns, 1901; Winge, 1917, 1932). Nella discussione delle Versuche, anche Mendel fa acutamente osservare che esistono ibridi fertili che danno progenie sempre uguali ai genitori, comportamento che li può far considerare specie pure nate dall’incrocio. Questi casi sono riportati da Gärtner per Aquilegia atropurpurea canadensis, Lavatera pseudoalba thuringiana, Geum urbanorivale e alcuni ibridi di Dianthus (nonchè di Salix, secondo Wichura, specifica Mendel). Oggi sappiamo che questi casi erano relativi a situazioni allopoliploidi derivanti dalla fusione di gameti non ridotti. Mendel, correttamente, interpreta questi ibridi proponendo che le loro cellule riproduttive siano tutte uguali per il contenuto ereditario: gli allopoliploidi, come più tardi si è verificato, hanno cromosomi che si appaiano in bivalenti (e non in tetravalenti), condizione che sostiene nell’ibrido la trasmissione inalterata dei genomi dei due parentali; da qui la stabilità fenotipica e genetica. È anche stato accertato che l’allopoliploidia è un importante modalità di speciazione, particolarmente nelle piante (Soltis e Soltis, 2009; Ramsey 2014). Parole di Mendel: “gli esperimenti di J. G. Kölreuter, Gärtner e di altri che riportano la trasformazione di una specie in un’altra via fecondazione artificiale, meritano una particolare attenzione”; è importante sottolineare con Gärtner che questi casi sono tra i più difficili tra quelli da analizzare dopo ibridazione.
Fattori genetici ripetuti
Nelle Versuche, Mendel annota che alcune delle varietà di pisello considerate inizialmente potevano essere sottospecie di Pisum sativum. Altre potevano appartenere alle specie P. quadratum. P. saccharatum, P. umbellatum. Osserva che è spesso difficile differenziare gli ibridi tra varietà da quelli tra specie. Tuttavia, fa notare che per realizzare esperimenti come i suoi, bisogna assolutamente evitare gli ibridi sterili o parzialmente sterili, situazione che elimina dall’analisi gli ibridi interspecifici. Quando tratta degli esperimenti con altre specie di piante, introduce e commenta le segregazioni da incrocio tra linee di fagiolo. Qui considera prima Phaseolus vulgaris x P. nanus, concludendo che i risultati si allineano a quelli del pisello (oggi sappiamo che si trattava di due varietà della stessa specie). In un secondo caso, descrive gli ibridi tra P. nanus (P. vulgaris) e P. multiflorus (P. coccineus). I fiori F1 avevano un colore intermedio tra quello dei genitori e le piante erano altamente sterili. Alcuni dei caratteri considerati presentavano rapporti di segregazione veramente anomali, con la comparsa del fenotipo recessivo molto in difetto. E qui Mendel ne approfitta per proporre un’interpretazione che, suo merito spesso dimenticato, introduce una spiegazione basata su fattori ereditari ripetuti, basati sui rapporti di segregazione 15:1 e 63: 1 (Diese färbung ist in der rehie nur einmal enthalten, und könnte daher auch nur in durchshnitte unter je 16, bei drei farbenmerkmalen sogar nur unter 64 pflanzen einmal entwickelt werden; il colore (bianco) è stato osservato una sola volta; potrebbe comparire, in media, in un caso su 16; se fossero coinvolti tre fattori (ereditari), una volta su 64). Negli anni Settanta del secolo scorso, A. M. Ibrahim e D.P. Coyne (1975) hanno ripetuto questo incrocio, riportando che la comparsa di fiori rosa in F1 si osserva solo nell’incrocio interspecifico Ph. vulgaris, fiore bianco, utilizzato come portaseme e Ph. coccineus scarlatto come donatore di polline (e non nell’incrocio con maschio e femmina invertiti). Ipotizzano che il controllo del colore ha anche una componente citoplasmatica.
Apomissia
Nogler (2006), in una pubblicazione ospitata dalla rivista Genetics dal titolo “The lesserknown Mendel: his experiments on Hieracium”, descrive nei dettagli la più cocente delusione scientifica di Mendel. La sperimentazione su Hieracium indicava che gli ibridi F1 non erano uniformi come quelli del pisello, ma molto variabili da pianta a pianta. Al contrario, la generazione F2 era uniforme, cioè non segregava come invece accadeva nelle F2 di pisello. In una lettera a Nägeli, Mendel considera fino a che punto Pisum e Hieracium possono rappresentare due diversi tipi di eredità. Nei primi anni dopo la riscoperta delle leggi di Mendel, questa visione era condivisa anche da De Vries, Correns e Bateson. Solo dopo anni dalla pubblicazione di dati embriologici sulla partenogenesi (Juel, 1898, 1900), divenne chiaro che le specie di Hieracium sono tra le poche angiosperme che hanno embrioni derivanti da cellule materne 2n, cioè che il genere ospita in larga parte specie apomittiche dove le progenie derivate da seme sono cloni del genotipo materno. È evidente che, invece, il paziente lavoro di impollinazione manuale, che Mendel praticava in Hieracium, produceva semi (rari) da cellule uovo con ploidia ridotta e da gameti maschili trasferiti dall’operatore, rivelando così in F1 tutta l’eterozigosi dei parentali (che invece Mendel considerava linee pure perché composte da piante tutte uguali perché derivanti da apomissia, ma certamente geneticamente eterozigoti). Mendel aveva studiato almeno 20 specie appartenenti a generi molto diversi come possibili soggetti di indagine (tra altre, Antirrhinum, Lychnis, Mirabilis, Zea). Decise per Pisum e poi per Hieracium, in questo caso rivolgendosi a Nägeli, rinomato professore e specialista del genere Hieracium. La corrispondenza con Nägeli è stata pubblicata da Correns (1905) e consiste di 10 lettere. Nella prima lettera a Nägeli, Mendel comunica che ha iniziato esperimenti con Geum, Hieracium e Cirsium: Nägeli risponde incoraggiandolo (Iltis, 1924). Il primo incrocio di successo (H. praealtum X H. stoloniferum) produsse 4 semi, solo uno ibrido. Mendel si dedicò, negli anni successivi, a migliorare il metodo di impollinazione artificiale, molto laborioso: secondo Correns (1924) fu in grado di ottenere centinaia di piante F1 da 21 combinazioni di incrocio (derivanti da migliaia di emasculazioni!). Quando dispose di più ibridi F1 per lo stesso incrocio, notò con disappunto che entro incrocio erano estremamente variabili. In un incrocio di H. pilosella raggiunse il numero di 29 piante F1 ibride, tutte diverse le une dalle altre. Anche in un incrocio di H. auricola (una specie oggi nota per riprodursi solo sessualmente) X H. aurantiacum, le 84 piante F1 erano variabili. Questo esperimento fu ripetuto da Ostenfeld nel 1910 e diede gli stessi risultati. Nella generazione F2 le piante ottenute da Mendel risultarono uguali tra di loro. Nella pubblicazione relativa ai dati di Hieracium (1869), Mendel scrive: “Bei Pisum haben die Bastarde (…) in allen Fällen den gleichen Typus, ihre Nachkommen dagegen sind veränderlich und variiren nach einem bestimmten Gesetze. Bei Hieracium scheint sich nach den bisherigen Versuchen das gerade Gegentheil davon herausstellen zu wollen; in Pisum le piante degli ibridi F1 sono simili, mentre la progenie derivante da loro varia secondo una regola precisa. In Hieracium gli esperimenti finora effettuati indicano il contrario”. L’ultimo esperimento di Mendel considerava l’incrocio H. praealtum X H. aurantiacum, dove con il reicrocio a H. aurantiacum aumentava la formazione di seme sulle piante F1; ma ancora i rapporti di segregazione non si allineavano con le regole stabilite per Pisum (dall’ultima lettera a Nägeli con i risultati e il commento su Hieracium). I dati ottenuti, e la mancata risposta di Mendel alle due ultime lettere del 1874 e 1875 di Nägeli, possono avere influenzato quest’ultimo ad assumere un atteggiamento scettico verso il contributo di Mendel. È certo che, al tempo della riscoperta di Mendel, coloro che discussero e proposero le conclusioni di Mendel ritenevano ancora che i comportamenti ereditari si allineassero alle regole valide per Pisum e, alternativamente, alle situazioni osservate in Hieracium. È vero che già nel 1881 Focke aveva riportato il caso di molti ibridi fenotipicamente stabili, così come Millardet (1894; citato da Bateson 1906) pubblicava i risultati relativi a “falsi ibridi”, ma di fatto anche un accanito propugnatore delle regole di Mendel come Bateson, nel 1902 sosteneva la differenza tra Pisum e Hieracium, per poi ricredersi nel 1909. È stato C.H. Ostenfeld (1904) che per primo ha interpretato il caso Hieracium come dovuto alla partenocarpia risultante in uova 2n. Correns, nel 1905, si salvò in corner scrivendo che la partenogenesi nelle piante è rara al punto da comprendere che sia Mendel che De Vries non l’abbiano considerata. Conclusione: le leggi di Mendel per un certo periodo di anni, pur riscoperte, non furono immediatamente riconosciute di validità generale. 35 I risultati di Mendel relativi a Hieracium vengono interpretati, di solito, negativamente (Van Dijk e Ellis 2016). In realtà, in una pagina andata persa della prima lettera di Mendel a Nägeli, egli dimostrava una accentuata attenzione ai cosiddetti “ibridi costanti”, ritenuti essenzialmente diversi dagli “ibridi variabili” come quelli di pisello. Mendel considerava i due diversi tipi di ibridi come la manifestazione di una legge dell’eredità ancora più fondamentale.
Semidominanza
Già Mendel aveva notato che negli incroci tra specie di Phaseolus il colore di fiori era intermedio. Anche il periodo di fioritura dei piselli si comportava nello stesso modo. Correns (1900) notò che certi fattori genetici sono semidominanti con F1 intermedia tra il fenotipo dei genitori. Bateson confermò la semidominanza negli incroci tra polli bianchi e neri, così come Cuènot per il colore del pelo nei topi. Tuttavia, le generazioni degli ibridi segregavano come atteso, confermando, seppur in casi complessi, le leggi di Mendel.
Il rapporto numerico tra i sessi
Il rapporto viola la regola del 3:1 e nella larghissima maggioranza delle specie è allineato a 1:1. Già prima di Mendel, riflettendo sul rapporto tra sessi, veniva ipotizzato un controllo relativamente semplice. Nel decennio 1840-1850 erano stati scoperti i cromosomi. W. S. Sutton (1902) nella tesi di dottorato aveva descritto la segregazione dei cromosomi di Brachystola magna, ciascuno di essi identificato singolarmente. Insieme a Theodor Boveri propose che l’associazione tra cromosomi materni e paterni e la loro successiva separazione durante la gametogenesi poteva rappresentare la base fisica delle leggi mendeliane. Nettie Stevens ed Edmund Wilson, indipendentemente, descrissero il comportamento dei cromosomi X e Y, ritenuti da Erwin McClug come i determinanti del sesso (Geraci, 2001). Nel 1910-1911, Thomas Hunt Morgan provò il loro ruolo nell’ereditarietà. In particolare, confermò la loro partecipazione al determinismo del rapporto 1:1 tra i sessi. Negli incroci tra femmine (cromosomi X X) a occhi rossi, omozigoti per l’allele R, e maschi X Y a occhi bianchi (allele r), nelle F1 sia le femmine (XR XR o XR Xr) che i maschi (XR Y) avevano occhi rossi. Nelle loro F2 nessuna femmina aveva occhi bianchi (perché riceveva sempre un allele R dai maschi XR Y), con l’assenza di colore presente invece nel 50% dei maschi (erano XR Y o Xr Y). L’interpretazione fu che il gene responsabile del controllo del colore degli occhi era localizzato sul cromosoma X, cioè, in generale, che i determinanti ereditari erano ospitati dai cromosomi. Negli anni successivi il gruppo di Morgan scoprì il linkage genetico tra geni ospitati in modo lineare sui cromosomi. Si evidenziava, così, che la legge di Mendel della segregazione indipendente dei caratteri, poteva avere delle importantissime eccezioni che però non la negavano.
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Figure tratte da Heredity and sex, Morgan T. H., New York, Columbia university press, 1914. Fonte: https://www.biodiversitylibrary.org/bibliography/6238.
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Fattori gametofitici
In studi citogenetici postmendeliani si era notato che i granuli di polline possono avere un successo differenziale nella fecondazione, determinando così rapporti di segregazione non allineati alle regole di Mendel (Pfahler, 1965, 1967). Questo comportamento dei grani pollinici è dovuto a quelli che i genetisti del mais indicano come fattori gametofitici (loci Ga-ga). In senso lato, la stessa terminologia si può anche usare per fattori gametofitici che influenzano lo sviluppo dell’ovulo (come lethal ovule 1 e 2, sempre del mais). In questa pianta, i fattori gametofitici che si esprimono nei granuli di polline hanno alleli Ga che determinano un vantaggio competitivo su quelli ga nella fecondazione di piante Ga Ga o Ga ga, ma non ga ga. Fa eccezione a questa regola il locus genetico ga7 localizzato sul cromosoma 3 (Nelson, 1994). La fecondazione differenziale altera la trasmissione dei fattori genetici concatenati ai loci ga, generando segregazioni che, apparentemente, sono diverse da quelle attese in base alle regole mendeliane e ai dati di linkage.
CONCLUSIONI
L’applicazione di metodi quantitativi matematici e statistici alla botanica non aveva antecedenti prima della pubblicazione delle Versuche (Henig, 2000). Mendel, inascoltato per 34 anni, offrì una teoria semplice, verificabile da qualsiasi ricercatore. Centrale era la persistenza della separazione negli ibridi delle “Anlagen” tracciate da stati alternativi dei caratteri (Mayr, 1982). Dopo la sua riscoperta, il mendelismo fu accettato anche dagli studiosi dei caratteri a variabilità continua. La matematica della genetica di popolazione, basata sull’equilibrio di Hardy-Weinberg del 1908, assume che la frequenza di due alleli dello stesso locus rimane costante nelle generazioni, a meno che venga modificata da migrazione, mutazione, selezione, accoppiamenti non casuali. I proponenti accettarono il mendelismo, nel senso di considerare nelle loro analisi alleli alternativi e trasmissibili (Mayr, 1982). Sarà poi Ronald Aylmer Fischer a precisare che la variabilità continua di un carattere non dipende dall’ambiente ma da fattori mendeliani multipli con piccoli effetti fenotipici. Cadeva così un importante bastione che divise, per anni, la genetica dei mutanti da quella di caratteri complessi. È stato commentato che è impossibile che Mendel non abbia compreso l’interazione tra mutazione e selezione naturale, una introduzione che inevitabilmente conduce a interpretare l’evoluzione organica (Cavalli Sforza, 2002-2003); anche questa è una conquista nata da banali incroci tra varietà di una pianta coltivata. La genetica nasce con Mendel, fondatore celebrato dai testi delle scuole di tutti i livelli. Non è sempre stato così: morì senza essere riconosciuto dai contemporanei e anche il suo Convento, nell’annunciarne la morte, dimenticò di celebrarlo per i risultati dei suoi esperimenti (Accademia Nazionale dei Lincei, 1984). Certamente trovò ascolto presso gli specialisti di miglioramento delle piante. In Boemia, un plant breeder locale diede il nome “Prelate Mendel” a una vigorosa varietà di Fuchsia monstrosa. In Italia, Nazareno Strampelli, che fin dal 1904-1907 utilizzò l’incrocio per migliorare i frumenti, diede il nome “Gregorio Mendel” a una sua costituzione commentando: “Questo frumento cui volli dedicare il nome venerato di quel sapiente naturalista che dettò le leggi che tanto utile guida mi furono nei miei lavori di ibridazione, è quello che porta il no. 133 fra i 256 ottenuti per l’incrocio Rieti x Principe Alberto” (Montalenti, 1984).
NOTE
¹ Battezzato con il nome di Johann, a Mendel fu dato il nome di Gregor alla sua entrata in Convento. Fu ordinato sacerdote nel 1847.
² Darwin non considerò quanto gli suggeriva il cugino Francis Galton, scienziato molto noto, che gli raccomandava di leggere il testo di W.O. Focke del 1881, incluse i richiami all’eredità dove Focke citava Mendel almeno 15 volte. Come evidente dalle sue note sulla trasmissione dei caratteri, Galton si avvicinava al mendelismo e, tra il 1875 e il 1876, in diverse lettere suggeriva a Darwin di famigliarizzarsi con il pisello per accertare se un “certo” Mendel aveva ragione (Wallace, 2002-2003).
³ Nel Dipartimento di Storia naturale e Agricoltura della Facoltà di Filosofia, la direzione era tenuta da Johann Karl Nestler che si interessava di trasmissione dei caratteri, specie negli animali.
⁴ Dalla figura, ripresa dalle Versuche, si desume visivamente la posizione di Mendel relativa alla trasmissione dei caratteri via gameti maschili e femminili.
⁵ La pubblicazione del 1866 fu preceduta da due presentazioni alla Società per le Scienze Naturali di Brno. Alle due riunioni, dell’8 febbraio e dell’8 marzo 1865, parteciparono 40 tra accademici e cultori di biologia vegetale.
⁶ Più corretto sarebbe indicarle, con Bateson (1902, 1909), come i principi dell’eredità.
⁷ Gärtner, però, non riteneva che dagli incroci interspecificsi si potessero generare nuove specie (Wallace, 2002-2003). Che questo fosse possibile era comunque accettato da molti, Mendel incluso (si legga la sezione Allopoliploidia).
⁸ Correns pubblicò la corrispondenza di Mendel con Nägeli; di questo suo insegnante, Correns aveva sposato la nipote (Rocchi, 2022).
⁹ Nelle prime discussioni seguite alla riscoperta di Mendel, ha poi ammesso Bateson nel 1909, si era inclini a credere che il caso Hieracium fosse molto diverso da quello di Pisum.
¹⁰ Dopo la morte di Mendel, Gustav von Niessel ricordò ufficialmente Mendel in una seduta della Società di Scienze naturali di Brno della quale era stato membro, senza però accennare ai suoi esperimenti con le piante. A Mendel riscoperto, von Niessel, ancora vivo, raccontò a Hugo Iltis, il primo biografo di Mendel, che questi era uso dire ai suoi amici che “il mio tempo verrà” (Rocchi, 2022), intuendo, cioè, un futuro che si sarebbe realizzato.
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