Studying durum wheat genetic diversity: a molecular approach to identify new alleles for drought resilience

La regione mediterranea è una delle aree climatiche maggiormente colpite dalle crescenti ondate di caldo e siccità causate dal cambiamento climatico globale, con gravi ripercussioni sulla produzione agricola e quindi sulla sicurezza alimentare. Il frumento duro (Triticum turgidum L. var. durum) è coltivato principalmente nel bacino Mediterraneo, tradizionalmente senza l’ausilio d’irrigazione artificiale. Nonostante la naturale capacità di questa coltura di resistere a diversi stress ambientali, essa è attualmente minacciata dall’aggravarsi dei cambiamenti climatici. In particolare lo stress idrico da siccità che le colture subiscono in mancanza di acqua, è uno dei fattori ambientali di maggior impatto sulla crescita e le rese produttive finali per il frumento duro. L’identificazione di genotipi con una maggior adattabilità allo stress da siccità è quindi un obiettivo primario sia per i ricercatori sia per i breeder che lavorano nel campo del miglioramento genetico del frumento. In questa ricerca, ci siamo focalizzati su geni noti per essere coinvolti nella risposta allo stress idrico in altre specie cerealicole, i quali sono stati quindi caratterizzati in fumento duro sia a livello genomico che trascrizionale. Sono stati isolati entrambe le copie omeologhe (A e B) di due geni: 1) TdBCAT, un’aminotransferasi degli amino acidi a catena ramificata con putativa funzione plastidica; 2) TdABA7, codificante per una proteina a basso peso molecolare (18kDa), la cui funzione molecolare e biologica è tuttora ignota. L’analisi di espressione in condizioni di stress idrico ha rivelato un chiaro coinvolgimento di TdBCAT durante l’antesi e i primi eventi di post-antesi, mentre per TdABA7, l’espressione in risposta allo stress sembra essere più relazionata alla fase di germinazione. Inoltre entrambi i geni presentano un’espressione tessuto e omeologo specifica. Per capire meglio il ruolo di TdBCAT e TdABA7 nella risposta allo stress idrico da siccità, abbiamo seguito un approccio di genetica inversa, sfruttanto uno strumento bioinformatico chiamato in silico wheat TILLING (www.wheat-tilling.com) grazie al quale è stato possibile generare 11 linee doppio mutanti per TdBCAT e 15 linee doppio mutanti per TdABA7. In parallelo, in linea con il paradigma di “climate smart agriculture” suggerito dalla FAO di sfruttare la variabilità naturale presente nelle risorse genetiche di frumento duro, un approccio di allele mining ha permesso di identificare la presenza di varianti alleliche nei geni selezionati analizzando una collezione di germoplasma di frumento rappresentativa delle colture di frumento del bacino mediterraneo. E’ stato quindi definito un metodo innovativo ma soprattutto economico, che sfrutta l’unione di diverse tecniche (sequenziamento di zone target mediante NGS e tecnologia KASP) per scoprire varianti alleliche naturali nei geni in esame. In particolare, quest’ approccio ha permesso di identificare 21 SNP nei promotori di TdBCAT nel set di genotipi di frumento duro analizzati. Quest’analisi ha quindi portato all’identificazione di 5 aplotipi per ognuno delle due copie omeoologhe del gene TdBCAT, alcuni dei quali rappresentati in un singolo 8 genotipo. Per correlare il genotipo al fenotipo, lo stesso set di genotipi è stato analizzato in condizioni di stress idrico attraverso una piattaforma di fenotipizzazione high-throughput. I due indici fenotipi considerati (digital biovolume e dry index), ha permesso l’identificazione di 5 genotipi come altamente resistenti allo stress da siccità e quindi a identificarli come ottimi candidati per futuri programmi di breeding.