PUBBLICATO SU “NATURE GENETICS” IL GENOMA DEL FRUMENTO DURO

International team decodes the durum wheat genome  (the new genome sequence will contribute to global food safety and security)

a cura di LUIGI CATTIVELLI (prima parte in italiano)/ under care of Luigi Cattivelli (in the present article, follow the english version)

Mietitura del grano duro, coltura mediterranea per eccellenza. The durum wheat combine harvesting in Sicily. This cultivation is a symbol of mediterranean crops. Immagine tratta da/To Sicilia Agricoltura

Un passo fondamentale per sostenere il futuro della filiera nazionale del frumento duro e della pasta

Un consorzio internazionale ha pubblicato sulla rivista scientifica Nature Genetics la sequenza completa dei 14 cromosomi della varietà di frumento duro ‘Svevo’. 

Il genoma studiato contiene 66.000 geni e la sua analisi ha consentito di identificare decine di migliaia di marcatori molecolari che potranno essere utilizzati per la selezione di varietà migliorate. Un lavoro fondamentale, che costituirà un riferimento per tutta la futura attività di miglioramento genetico e per l’identificazione e la tutela delle diverse tipologie di frumento attraverso tecniche di tracciabilità molecolare.

Il frumento duro, la materia prima della pasta, icona del “Made in Italy” alimentare, è stato selezionato dall’uomo a partire dal farro alcune migliaia di anni fa in Mesopotamia, ma si è diffuso in Italia alla fine del dell’impero romano ed oggi viene coltivato in tutti i continenti. Nel bacino del Mediterraneo è la principale fonte di reddito per molti piccoli agricoltori nelle aree marginali dell’Africa settentrionale e del Medio Oriente, ma deve fare i conti con i preoccupanti cambiamenti climatici in atto e con una forte pressione demografica in grado di provocare tensioni sociali e flussi migratori. Solo una efficace azione di miglioramento genetico potrà consentire di selezionare varietà più produttive ed ecosostenibili in grado di garantire un reddito adeguato in regioni così a rischio.
Nel corso del lavoro, le conoscenze sul genoma sono state utilizzate per comprendere il processo evolutivo che ha portato dal farro selvatico (il progenitore del farro coltivato) al moderno frumento duro e per isolare un nuovo gene capace di limitare l’accumulo di cadmio nei semi, un chiaro esempio di come lo studio dei genomi consente la scoperta di fattori che aumentano ulteriormente la salubrità e la qualità del frumento duro e della pasta.
Lo studio è firmato da oltre 60 autori di 7 diversi paesi coordinati da Luigi Cattivelli del CREA insieme ad un team internazionale costituito da Curtis Pozniak dell’Università di Saskatchewan (Canada), Aldo Ceriotti e Luciano Milanesi del CNR, Roberto Tuberosa dell’Università di Bologna e Klaus Mayer dell’Helmholtz Zentrum München (Germania). Inoltre, tra le altre istituzioni partecipanti vi è un ulteriore contributo italiano rappresentato dall’Università di Bari.
“Il rilascio della sequenza del genoma apre prospettive totalmente nuove per la filiera del frumento duro”, afferma Luigi Cattivelli, direttore del CREA Genomica e Bioinformatica, “consente di identificare geni di grande rilevanza pratica come quelli responsabili della resistenza alle malattie o dell’adattamento alle nuove condizioni climatiche e fornisce il background necessario per una tracciabilità molecolare avanzata di tutte le tipologie di frumento duro e farro.”

 

Mietitrebbiatura del grano duro nell’agro di Volterra (sullo sfondo), in provincia di Pisa. Combine harvesting of durum wheat in Volterra lands (in the background), on the Pisa district. Foto/Photo Cantarelli.

“Con la sequenza del genoma abbiamo il panorama completo dei geni che codificano per le proteine del glutine in una importante varietà di frumento duro. Queste informazioni saranno utili per comprendere i fattori che determinano la qualità tecnologica e nutrizionale delle semole” sottolinea Aldo Ceriotti.
“La disponibilità della sequenza genomica facilita l’identificazione dei geni che regolano la risposta adattativa della pianta alla siccità e la capacità di assorbire acqua e fertilizzanti”, precisa Roberto Tuberosa, “consentendo quindi l’utilizzazione della selezione assistita con marcatori per costituire in tempi brevi nuove cultivar più resilienti alle avversità climatiche e più ecocompatibili.” Il lavoro ha beneficiato di diversi finanziamenti, tra cui un’importante contributo del progetto Bandiera MIUR InterOmics, coordinato da Luciano Milanesi. Tutti i risultati delle annotazioni del genoma sono consultabili presso il sito http://www.interomics.eu/durum-wheat-genome e nella banca dati scientifica GrainGenes. Il lavoro pubblicato in Nature Genetics dal titolo "Durum wheat genome highlights past domestication signatures and future improvement targets” è disponibile a questo link: http://dx.doi.org/10.1038/s41588-019-0381-3

(Nota della redazione: in considerazione della novità e dell’importanza rappresentata da questa pubblicazione, si è ritenuto di fare seguire alla versione italiana anche quella in lingua inglese).

International team decodes the durum wheat genome 

under care of Luigi Cattivelli

An international consortium has sequenced the entire genome of durum wheat—the source of semolina for pasta, a food staple for the world’s population, according to an article published today in Nature Genetics.
The team has also discovered how to significantly reduce cadmium levels in durum grain, ensuring the safety and nutritional value of the grain through selective breeding.
“This ground-breaking work will lead to new standards for durum breeding and safety of durum-derived products, paving the way for production of durum wheat varieties better adapted to climate challenges, with higher yields, enhanced nutritional quality, and improved sustainability,” said Luigi Cattivelli of Italy’s Council for Agricultural Research and Economics (CREA).
The durum wheat genome is four times as large as the human genome. The team has for the first time assembled the complete genome of the high-quality Svevo variety.
“We can now examine the genes, their order and structure to assemble a blueprint that provides an opportunity to understand how the genes work and communicate with one another,” said wheat breeder Curtis Pozniak of the University of Saskatchewan (USask). “With this blueprint, we can now work quickly to identify genes that are responsible for the traits we select for in our breeding programs such as yield, disease resistance, and nutritional properties.”
The research involved more than 60 scientists from seven countries. The work was co-ordinated by Cattivelli and included corresponding authors Pozniak of USask and Klaus Mayer of the Helmholtz Zentrum in München (Germany), as well as researchers Aldo Ceriotti and Luciano Milanesi of Italy’s national research council CNR and Roberto Tuberosa of the University of Bologna (Italy).
“We can now see the distinct DNA signatures that have been so critical to the evolution and breeding of durum wheat, enabling us to understand which combination of genes is driving a particular signature and to maintain those target areas of the genome for future breeding improvement,” said Marco Maccaferri, lead author of the manuscript.
Durum wheat, mainly used as the raw material for pasta and couscous production, evolved from wild emmer wheat and was established as a prominent crop roughly 1,500 to 2,000 years ago in the Mediterranean area.
The team compared the durum wheat sequence to its wild relative and were able to reveal genes that humans have been selecting over the centuries. The scientists uncovered a loss of genomic diversity in durum wheat compared to its wild wheat relative, and they’ve been able to map these areas of loss and precisely recover beneficial genes lost during centuries of breeding.
“Unlike in humans, durum wheat is a so-called polyploid and contains two genomes. How these genomes interact and coordinate their activities is a fundamental question that might also have impact on food quality and yield,” said Mayer.
In an exciting genetic discovery, Pozniak’s USask team, along with University of Alberta scientists Gregory Taylor and Neil Harris, identified the gene in durum wheat responsible for accumulation of cadmium, a toxic heavy metal found in many soils.
“Now that we’ve identified this gene, we can effectively select varieties that do not accumulate significant cadmium in the grain—levels well below World Health Organization standards which will ensure that our durum wheat products are more nutritionally safe,” said Pozniak.
Durum wheat is mainly cultivated in Canada, Europe, United States, and South Asia, and remains a key crop for small farms in North and East Africa, as well as the Middle East.
As pasta is a staple for the world’s population, industries are asking for more, safer, and higher-quality durum wheat.
“Having this durum wheat high-quality genome sequence enables us to better understand the genetics of gluten proteins and the factors that control the nutritional properties of semolina. This will help to improve pasta quality traits,” said Ceriotti.
“The selection of new durum cultivars with greater yield potential, as well as enhanced quality and nutritional properties, is critical for our future well-being, particularly in the face of climate change. The availability of the durum genome sequence is an essential tool to achieve these targets and provides a strategic bridge between the biodiversity of wild progenitors and bread wheat,” said Tuberosa.

Funding was provided by: CREA; the Italian Ministry of Education University and Research Projects InterOmics and PON-ISCOCEM; Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada; Genome Canada and Genome Prairie; Saskatchewan Ministry of Agriculture and Government of Canada through the Agriculture Development Fund; Western Grains Research Foundation; Saskatchewan Wheat Commission; Alberta Wheat Commission; Manitoba Wheat and Barley Growers Association; Fondazione AGER; University of Bologna; Binational Science Foundation; Israel Science Foundation; U.S. Department of Agriculture; German Federal Ministry of Food and Agriculture; and German Ministry of Education and Research.
The Nature Genetics article can be here: http://dx.doi.org/10.1038/s41588-019-0381-3
Access to the durum wheat genome is available at: http://www.interomics.eu/durum-wheat-genome and in the scientific database GrainGenes. 

Luigi Cattivelli
Autore di oltre 150 lavori scientifici. E' Direttore del Centro di Ricerca per la Genomica Vegetale di Fiorenzuola d' Arda, PC.