1 Introduzione
Arabidopsis thaliana ha molti attributi che lo rendono un sistema modello molto attraente per la genomica vegetale. Il più importante di questi è che ha un genoma nucleare molto piccolo (sn), uno dei più piccoli tra le angiosperme. Sessanta anni fa, Sparrow e Miksche (1961) hanno dimostrato che la sensibilità alle radiazioni e il contenuto di DNA sono correlati nelle piante e che l’Arabidopsis è altamente resistente alle radiazioni ionizzanti, suggerendo un genoma molto piccolo. Sparrow, Price e Underbrink (1972) hanno continuato a dimostrare che A. thaliana aveva il più piccolo volume nucleare tra le angiosperme testate. Studi successivi, utilizzando vari metodi, hanno confermato questo risultato (per una revisione, vedi Meyerowitz, 1994). Leutwiler, Hough-Evans e Meyerowitz (1984) hanno anche dimostrato che l’Arabidopsis aveva una quantità molto piccola di DNA ripetitivo. Nei primi giorni della biologia molecolare, un genoma sn ha permesso di piastrare un’intera libreria genomica di batteriofagi lambda su poche piastre per schermare le sequenze di ibridazione (Leutwiler et al., 1984; Meyerowitz& Pruitt, 1985; Pruitt & Meyerowitz, 1986). Questo era molto più laborioso e costoso in altre specie vegetali con genomi stimati essere 4-100 × più grandi e con DNA ripetitivo considerevole. Genomi nucleari più piccoli sono stati scoperti in tre taxa di piante carnivore, Genlisea margaretae e G. aurea con 63 e 64 Mbp, rispettivamente, e Utricularia gibba con 88 Mbp (Greilhuber et al., 2006), ma mancano la maggior parte degli attributi necessari per essere sistemi modello di impianto.
Arabidopsis ha molti altri vantaggi rispetto ad altre specie vegetali come modello botanico. Arabidopsis non si limita a ‘tollerare la vita in una camera di crescita ‘ (Brendel, Kurtz, & Walbot, 2002)—è perfetto per la crescita in un ambiente di laboratorio. Può essere coltivato in una vasta gamma di condizioni, dai vasi alle piastre di Petri alle provette. Arabidopsis ha anche un tempo di generazione molto breve rispetto a molte altre specie vegetali, 6-8 settimane. È autofecondante, con un numero cromosomico diploide di 10 (cinque coppie), e produce un gran numero di semi ogni generazione, rendendo facile fare schermi genetici e analisi di eventuali varianti. I semi M2 di una popolazione di appena 3000 piante M1 possono essere sottoposti a screening con una ragionevole probabilità di trovare un mutante recessivo di interesse. Una mappa genetica è stata popolata con mutanti caratterizzati. L’arabidopsis è suscettibile di tecniche di coltura tissutale più note ed è trasformabile con una serie di metodi (Lloyd et al., 1986) compresi i metodi di coltura nontissue che rendono pratico fare schermi di mutagenesi di inserimento del T-DNA (Bechtold & Pelletier, 1998; Clough& Bent, 1998; Feldmann& Marks, 1987). Ci sono un’ampia varietà di razze terrestri con molte caratteristiche morfologiche e fisiologiche diverse. Molte delle risorse biologiche dai semi ai CDNA sono disponibili attraverso l’Arabidopsis Biological Resource Center e l’European Arabidopsis Stock Centre (Nottingham Arabidopsis Seed Center-NASC). Infine, è un membro di un gruppo di piante agronomicamente importante, la famiglia brassica o senape. Tuttavia, l’unica caratteristica dell’Arabidopsis che non può essere sopravvalutata è la sua piccola dimensione del genoma, come dimostrato dalle pubblicazioni del gruppo Meyerowitz nel 1984. Queste pubblicazioni hanno portato questa specie all’attenzione di molti biologi molecolari in tutto il mondo e la dimensione della comunità Arabidopsis è esplosa nei prossimi 5 anni.
L’iniziativa di sequenziare il genoma dell’Arabidopsis è stata proposta nel 1989 dalla Direzione delle scienze biologiche, comportamentali e sociali (BBS) della National Science Foundation (NSF) con un notevole contributo da parte di scienziati accademici e industriali. Anche se non direttamente dichiarato, l’agenzia ha voluto spendere million 100 milioni per sviluppare un progetto genoma equivalente al progetto genoma umano del National Institute of Health. Una serie di incontri e workshop, con scienziati provenienti da Stati Uniti, Europa, Giappone e Australia, si è tenuta per pianificare un quadro per lo sviluppo delle risorse necessarie per sequenziare il genoma. Poiché l’Arabidopsis è stato il primo genoma vegetale e uno dei primi eucarioti ad essere sequenziato, c’erano molte strategie da elaborare e efficienze da ottenere. Fortunatamente, come per le comunità di ricerca worm e fly, la comunità Arabidopsis è stata molto collaborativa. Un piano per coordinare la ricerca sul genoma dell’Arabidopsis è stato descritto in una pubblicazione del 1990 “A Long-Range Plan for the Multinational Coordinated A. thaliana Genome Research Project” (NSF 90-80). Dato lo stato della tecnologia di sequenziamento in quel momento, è stato stimato che il genoma potrebbe essere sequenziato entro l’anno 2000. Come tale, la comunità di ricerca Arabidopsis ha iniziato a stabilire le risorse biologiche necessarie per il sequenziamento del genoma. Nel 1996 è stata costituita l’Arabidopsis Genome Initiative (AGI) “per facilitare la cooperazione tra progetti internazionali di sequenziamento” in modo che il genoma possa essere sequenziato entro il 2004, ad eccezione delle regioni ripetitive difficili da sequenziare come le regioni organizzative nucleolari (NORs) e i centromeri. Con miglioramenti nelle tecnologie di sequenziamento e la concorrenza tra i gruppi di sequenziamento Arabidopsis e l’industria (all’inizio del 1998, Ceres, Inc., aveva firmato un accordo con Genset SA per sequenziare il genoma Arabidopsis), così come i gruppi di sequenziamento Drosophila e umana, l’AGI è stato in grado di pubblicare il genoma Arabidopsis entro il 2000 (L’Arabidopsis Genome Initiative, 2000), la data di destinazione originale.