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Evoluzione varietale e qualità in frumento duro (Triticum turgidum subsp. durum): dalle vecchie popolazioni alle attuali cultivar

by luciano

Autori: Rosella Motzo, Francesco Giunta, Simonetta Fois. Coordinatore: Prof. Mauro Deidda. Anno: 2001. Ente cofinanziatore: Fondazione Banco di Sardegna (nota 1154/4135 del 18/12/2001)

Riassunto

Il lavoro analizza l’evoluzione varietale del frumento duro, dalle popolazioni locali tradizionali (landraces) fino alle moderne cultivar, mettendo in relazione il miglioramento genetico con le trasformazioni dell’agricoltura, della produttività e della qualità della granella.

In una prima fase storica, la coltivazione del frumento duro era basata su popolazioni locali geneticamente eterogenee, ben adattate agli ambienti di coltivazione ma caratterizzate da rese modeste e forte variabilità fenotipica. Con l’avvento del miglioramento genetico scientifico, tra la fine dell’Ottocento e la prima metà del Novecento, queste popolazioni furono progressivamente sostituite da varietà ottenute per selezione di linee pure, più uniformi e adatte alla meccanizzazione e alle esigenze dell’industria di trasformazione.

Il documento descrive le principali fasi del miglioramento genetico del frumento duro in Italia: dalla selezione genealogica a partire dalle landraces (1920-1950), allo sviluppo di varietà derivate da incroci controllati tra genotipi mediterranei e siriaci (anni ’50-’60), fino all’introduzione di tecniche più avanzate come l’ibridazione interspecifica, la mutagenesi e l’uso dei geni nanizzanti (Rht) per la riduzione della taglia e l’aumento dell’indice di raccolta.

Particolare attenzione è dedicata al ruolo centrale di cultivar storiche come Senatore Cappelli, che ha rappresentato per decenni il riferimento produttivo e qualitativo del frumento duro italiano, e alle successive varietà che ne hanno progressivamente sostituito l’impiego grazie a rese più elevate e maggiore resistenza all’allettamento e alle avversità.

Il lavoro evidenzia inoltre come l’intensificazione agricola e la diffusione di varietà geneticamente uniformi abbiano comportato, accanto ai benefici produttivi, fenomeni di erosione genetica, rendendo fondamentale la conservazione del germoplasma attraverso collezioni in situ ed ex situ. In conclusione, il miglioramento genetico del frumento duro viene presentato come un processo dinamico, strettamente legato alle innovazioni agronomiche, alle esigenze del mercato e alla necessità di coniugare produttività, qualità e salvaguardia della biodiversità.

 

Aggiornamenti ad oggi (i più importanti):

1) Reference genome del frumento duro (base per tutte le analisi moderne)

Title: Durum wheat genome highlights past domestication signatures and future improvement targets
Authors: Maccaferri, Harris, Twardziok, et al.
Year: 2019
DOI: 10.1038/s41588-019-0381-3 (PubMed)
Riassunto: Primo riferimento “chiave” con assemblaggio genomico del duro (cv. Svevo) e analisi di diversità/geni target: ha abilitato GWAS più robuste, identificazione di regioni selezionate durante domesticazione/miglioramento e nuovi bersagli per qualità e resa.

2) Speed breeding applicato specificamente al frumento duro (accelerare generazioni + selezione multi-tratto)

Title: Speed breeding for multiple quantitative traits in durum wheat
Authors: Alahmad et al.
Year: 2018
DOI: 10.1186/s13007-018-0302-y (PubMed)
Riassunto: Protocollo sperimentale per velocizzare cicli generazionali e fare selezione precoce su più caratteri quantitativi (non solo uno), utile per accelerare pyramiding di tratti (resa, fenologia, architettura, ecc.).

3) Genomic selection + GWAS in frumento duro (metodi moderni per prevedere resa/qualità)

Title: Genetic dissection of agronomic and quality traits based on association mapping and genomic selection approaches in durum wheat grown in Southern Spain
Authors: Mérida-García et al.
Year: 2019
DOI: 10.1371/journal.pone.0211718 (PLOS)
Riassunto: Combina association mapping (GWAS) e genomic selection su tratti agronomici e qualitativi: è un esempio “completo” di pipeline moderna (scoperta di loci + predizione genomica per selezione).

4) Fenotipizzazione ad alta capacità (iperspettrale) per stress caldo/siccità + genetica della resa

Title: High-throughput phenotyping using hyperspectral indicators supports the genetic dissection of yield in durum wheat grown under heat and drought stress
Authors: Mérida-García et al.
Year: 2024
DOI: 10.3389/fpls.2024.1470520 (PubMed)
Riassunto: Porta “novità” sul metodo: usa indicatori iperspettrali come proxy fisiologici per analizzare resa sotto stress, collegandoli alla genetica (utile per selezione in ambienti climate-stress).

5) Genomica + partecipazione agricoltori (local adaptation, “participatory genomics”)

Title: Genomics-driven breeding for local adaptation of durum wheat…
Authors: Gesesse et al.
Year: 2023
DOI: (indicizzato su PubMed; verificabile nella scheda articolo) (PubMed)
Riassunto: Integra dati genomici con selezione/valutazioni degli agricoltori (contesti low-input): introduce un approccio più “real-world” per migliorare adattamento locale e adozione varietale.

6) Dalle landraces agli aplotipi (integrazione “genomic + phenomic” per adattamento climatico)

Title: From landraces to haplotypes, exploiting a genomic and phenomic…
Authors: Palermo et al.
Year: 2024
DOI: (presente nella pagina articolo ScienceDirect) (ScienceDirect)
Riassunto: Usa tecniche avanzate per caratterizzare landraces (es. SSD, dati genomici + fenomici) per trovare materiale “ponte” tra varietà commerciali e resilienza a caldo/siccità.

7) CRISPR in frumento (dimostrazioni di editing multi-gene con impatto su qualità/sicurezza alimentare)

Title: CRISPR-Cas9 Multiplex Editing of the α-Amylase/Trypsin Inhibitor Genes…
Authors: Camerlengo et al.
Year: 2020
DOI: 10.3389/fsufs.2020.00104 (Frontiers)
Riassunto: Esempio di multiplex editing (più geni insieme) per ridurre componenti proteiche potenzialmente problematiche; dimostra velocità/precisione dell’editing rispetto al breeding convenzionale.

8) Protocolli/metodologia CRISPR per wheat (come “toolbox” operativo)

Title: CRISPR-Cas9 Based Genome Editing in Wheat
Authors: Smedley et al.
Year: 2021
DOI: 10.1002/cpz1.65 (currentprotocols.onlinelibrary.wiley.com)
Riassunto: Non è solo “risultato”, ma un riferimento pratico: design sgRNA, costrutti, workflow sperimentale per implementare CRISPR in wheat.

9) Review “stato dell’arte” specifica su duro (trend e metodi emergenti)

Title: Future of durum wheat research and breeding: Insights from early career researchers
Authors: Haugrud et al.
Year: 2024
DOI: 10.1002/tpg2.20453 (acsess.onlinelibrary.wiley.com)
Riassunto: Sintesi aggiornata su dove sta andando la ricerca: nuove fonti di variabilità, genomica, fenomica, breeding per stress e qualità, e priorità future.

Genoma dell’antenato del frumento duro

by luciano

Comunicato stampa

Svelato il genoma dell’antenato del frumento duro 07/07/2017

Un team internazionale di ricercatori ha ricostruito per la prima volta la sequenza del genoma del farro selvatico (Triticum turgidum ssp. dicoccoides). Il lavoro pubblicato sulla prestigiosa rivista Science, è stato guidato dall’Università di Tel Aviv ed ha coinvolto diverse decine di ricercatori provenienti da istituzioni di tutto il mondo. L’Italia ha contribuito a questo risultato attraverso la partecipazione di Crea (Centro di ricerca genomica e bioinformatica di Fiorenzuola d’Arda), del Cnr (Istituto di biologia e biotecnologia agraria e Progetto InterOmics) e dell’Università di Bologna (Dipartimento di scienze agrarie).

Il farro selvatico è il progenitore da cui sono stati selezionati quasi tutti i frumenti coltivati, tra cui il grano duro ed il grano tenero utilizzati per produrre, rispettivamente, pasta e pane. Il farro selvatico non è coltivato a causa della bassissima produzione e dei caratteri selvatici che lo caratterizzano. Ad esempio, i semi maturi del farro selvatico cadono spontaneamente a terra rendendo difficile la loro raccolta da parte dell’uomo, mentre nel farro coltivato i semi rimangono sulla spiga. La decodifica del genoma del farro selvatico rappresenta un contributo fondamentale per lo studio dei caratteri genetici utili per il miglioramento dei frumenti coltivati (in relazione alla resistenza agli stress biotici ed abiotici, in particolare la siccità) e per la ricostruzione della storia evolutiva del frumento nella fase antecedente la nascita dell’agricoltura. La disponibilità del genoma del farro selvatico ed il confronto con il patrimonio genetico dei frumenti coltivati ha infatti consentito di identificare i geni responsabili dell’addomesticamento. In particolare sono stati caratterizzati due geni la cui mutazione spontanea impedisce la dispersione dei semi dalle spighe mature, una modifica che, rendendo possibile lo sviluppo dell’agricoltura nel neolitico, è stata determinante nell’indirizzare la storia dell’umanità.

Il genoma del farro selvatico è circa il triplo del genoma umano, caratteristica che rende la sua ‘lettura’ particolarmente difficile. Il Centro di ricerca genomica e bioinformatica ha partecipato con le proprie competenze bioinformatiche all’annotazione funzionale del genoma, ovvero all’identificazione della funzione dei geni, occupandosi in particolare di una porzione del genoma tanto misteriosa quanto affascinante poiché coinvolta nell’attività di regolazione genica in quanto sede di produzione dei cosiddetti RNA non codificanti. Ed è proprio questa parte del genoma ad essere la più interessante per la genomica del futuro permettendo di svelare i meccanismi di accensione e spegnimento coordinati degli oltre 65.000 geni presenti nel genoma del farro selvatico.

Cnr e Università di Bologna hanno contribuito allo studio dell’addomesticamento e della diversità genetica presente nelle popolazioni di farro selvatico e domestico, fonti importanti di variabilità ed una riserva fondamentale di varianti genetiche naturali tuttora scarsamente esplorata ed utilizzata per il miglioramento del frumento moderno. Da questo lavoro sono attese ricadute importanti sulle attività di miglioramento genetico per incrementare la sostenibilità, la resistenza alla siccità, la tolleranza alle patologie e gli aspetti nutrizionali e salutistici dei frumenti del futuro.

“L’approccio di sequenziamento ed analisi bioinformatica utilizzato per il farro selvatico è senza precedenti e ha aperto la strada al sequenziamento del frumento duro, la forma addomesticata del farro selvatico. Ora possiamo capire meglio come l’uomo ha trasformato questa pianta selvatica in un grano duro moderno ad alto rendimento”, ha detto il Luigi Cattivelli, direttore del Centro di ricerca Crea di genomica e bioinformatica e coordinatore del Consorzio internazionale di sequenziamento del frumento duro.

“La disponibilità della sequenza del farro selvatico è un vero e proprio filo di Arianna che ci consentirà di individuare più facilmente i geni per selezionare frumenti di qualità migliore ed a minor impatto ambientale. Conoscere questi geni è la premessa indispensabile per utilizzare le nuove metodiche di selezione come l’editing dei geni, la cui applicazione potrà assicurare la competitività della granicoltura nazionale”, ha detto Roberto Tuberosa, responsabile del Laboratorio di genomica dei cereali presso il Dipartimento di scienze agrarie dell’Università di Bologna.

Aldo Ceriotti, direttore dell’Istituto di biologia e biotecnologia agraria del Cnr, sottolinea come “Il confronto fra la sequenza del farro selvatico e quella del frumento duro ci permetterà di evidenziare come la selezione fatta dall’uomo abbia favorito l’accumulo di specifiche modificazioni nella sequenza del genoma di una delle principali specie coltivate nell’area del Mediterraneo, e costituirà una solida base per lo studio della variabilità genetica e lo sviluppo di nuove varietà di frumento duro”.

La scheda: Chi: Cnr (Istituto di biologia e biotecnologia agraria e Progetto InterOmics); Università di Tel Aviv; Crea; Università di Bologna.

Che cosa: Studio sul genoma del farro selvatico, pubblicato su Science

Per informazioni: Aldo Ceriotti, direttore Ibba-Cnr, tel. 02/23699444, e-mail: ceriotti@ibba.cnr.it

Capo ufficio stampa:
Marco Ferrazzoli
marco.ferrazzoli@cnr.it
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