SEQUENZIAMENTO DEL GENOMA DEL FRUMENTO DURO

Per gentile concessione del dott. Luigi Cattivelli del Centro per la Genomica e la Bioinformatica di Fiorenzuola d’Arda (Pc), seconda ed ultima parte.

                                                                                         Prima Parte

Pubblicazione 

Il lavoro dedicato al sequenziamento del genoma del frumento duro è stato realizzato da più di 60 ricercatori appartenenti ad una quindicina di istituzioni scientifiche di sette diversi paesi. L’Italia ha partecipato con CREA (Centro GB e CI), CNR, Università di Bologna ed università di Bari; il lavoro è stato coordinato dal Crea Centro GB. La pubblicazione ha avuto luogo su Nature Genetics: 

Maccaferri M, Harris NS, Twardziok SO, Pasam RK, Gundlach H, Spannagl M, Ormanbekova D, Lux T, Prade V, Milner S, Himmelbach A, Mascher M, Bagnaresi P, Faccioli P, Cozzi P, Lauria M, Lazzari B, Stella A, Manconi A, Gnocchi M, Moscatelli M, Avni R, Deek J, Biyiklioglu S, Frascaroli E, Corneti S, Salvi S, Sonnante G, Desiderio F, Marè C, Crosatti C, Mica E, Ozkan H, De Vita P, Marone D, Joukhadar R, Mazzucotelli E, Nigro D, Gadaleta A, Chao S, Faris J, Melo ATO, Pumphrey M, Pecchioni N, Milanesi L, Wiebe K,Ens J, MacLachlan RP, Clarke JM, Sharpe AG, Koh K, Liang KYH, Taylor GJ, Knox R, Budak H, Mastrangelo AM, Xu SS, Stein N, Hale I, Distelfeld A, Hayden MJ, Tuberosa T, Walkowiak S, Mayer KFX, Ceriotti A, Pozniak CJ, Cattivelli L, 2019. Durum wheat genome highlights past domestication signatures and future improvement targets. Nature Genetics, 08/04/2019. 

Principali risultati 

Il lavoro ha realizzato il primo sequenziamento completo del genoma del frumento duro (reference genome) utilizzando la varietà Svevo.

Sono stati ricostruiti i 12 cromosomi del grano duro per un totale di circa 10,5 miliardi di basi al cui interno sono stati identificati circa 66.000 geni. Il sequenziamento è stato condotto secondo le più avanzate tecnologie ed ha lo stesso livello qualitativo del genoma del frumento tenero pubblicato ad agosto 2019 su Science. Il genoma è stato poi integrato con un’infinità di annotazioni e dati: putativa funzione dei geni, centinaia di migliaia di marcatori molecolari, oltre 2000 loci descritti in letteratura per il loro ruolo nel determinare caratteri rilevanti (dalle resistenze alle malattie agli aspetti qualitativi), ecc.

Tutti i dati sono rilasciati e sono pubblicamente disponibili presso i seguenti siti:

http://www.interomics.eu/durum-wheat-genome (accesso con registrazione)

GrainGenes: https://wheat.pw.usda.gov/GG3/jbrowse_Durum_Svevo

I dati del genoma sono stati poi utilizzati per una serie di applicazioni per dimostrare il valore scientifico e pratico dei risultati ottenuti.

Domesticazione e selezione del frumento duro

Il frumento duro moderno, come la varietà Svevo utilizzata per il sequenziamento, deriva dal farro selvatico attraverso un processo a 3 fasi:

• la domesticazione del farro selvatico con la selezione delle forme di farro domestico (mezzaluna fertile circa 10.000 anni fa),

• la selezione delle prime popolazioni locali di frumento duro a partire dalle popolazioni coltivate di farro a partire da circa 3-4.000 anni fa,

• la selezione dei moderni frumenti duri come conseguenza del lavoro di miglioramento genetico (ultimi 100 anni circa). 

Questi passaggi hanno lasciato tracce sul genoma dei moderni frumenti, tracce che sono state identificate una ad una sfruttando la nuova sequenza del genoma. Questo lavoro ha consentito di:

• definire esattamente la storia evolutiva dei frumenti duri; 
• dimostrare come la perdita di diversità genetica inevitabilmente associata alla domesticazione ed alla selezione genetica esiste ma è confinata in specifici tratti del genoma e solo circa il 50% del genoma è stato oggetto di significative perdite di diversità;  
• identificare le regioni genomiche che spiegano le differenze tra un farro ed un frumento duro, oppure tra un frumento duro moderno ed una popolazione locale.
  

Identificazione del gene che controlla l’accumulo di cadmio nel seme 
 
Al contrario del frumento tenero, il duro quando cresciuto su terreni ricchi in cadmio, accumula cadmio nei semi e considerato che il cadmio è un metallo pesante tossico per la salute, questa caratteristica costituisce un potenziale rischio. Va detto che in Italia non sono noti terreni ricchi in cadmio, tuttavia in altre regioni del modo dove il duro è una importante coltura questo problema è molto sentito.
Utilizzando le conoscenze del genoma è stato possibile isolare in brevissimo tempo il gene responsabile per l’accumulo di cadmio e da oggi in poi sarà possibile selezionare piante che escludono il cadmio dai loro semi. In breve.
Il gene per l’accumulo di cadmio non esiste nei farri selvatici, i progenitori del frumento duro;
Il carattere si origina a seguito di una mutazione (un’inserzione di 17bp) che distrugge un trasportatore di cadmio e zinco che ha il compito di accumulare questi metalli nei vacuoli delle cellule delle radici, in assenza di questo trasportatore il cadmio diffonde nell’intera pianta ed anche nelle cariossidi;
La mutazione si è generata nei farri domestici ed è stata inconsapevolmente selezionata dall’uomo particolarmente nelle regioni del nord Africa dove la maggior parte delle popolazioni locali di farro e di duro presentano il carattere alto cadmio, probabilmente associato ad una migliore capacità produttiva in terreni poveri di zinco. Considerato che i principali capostipiti dei programmi di breeding moderno derivano da popolazioni locali di origine africana (es Cappelli) è comprensibile come la maggior parte dei duri moderni sia ad alto cadmio.

Il lavoro fornisce il marcatore esatto per la selezione di linee a basso cadmio

Frequenza degli alleli che definiscono l’accumulo di cadmio nel seme (blu basso cadmio; giallo alto cadmio) nei frumenti tetraploidi: farri selvatici (WEW), farri coltivati (DEW), landraces ed elite cultivar di frumento duro (DW); sono stati verificati in totale 1850 accessioni.

Ricadute pratiche

Il rilascio del genoma apre prospettive totalmente nuove per il miglioramento genetico del frumento duro e per la filiera duro-pasta in generale, alcuni esempi: 

• consente di definire in modo scientifico la differenza tra le diverse “tipologie” di grani tetraploidi (farri, “kamut”, popolazioni locali, grani duri antichi e moderni) e di sfruttare queste conoscenze per tracciare e migliorare ciascuna tipologia di prodotto; 
• consente di isolare geni di grande interesse pratico cosi come è stato fatto per il gene del cadmio, ad esempio geni per la resistenza alle malattie o l’adattamento a cambiamenti climatici, i geni per le intolleranze alimentari, ecc;  
• consente di ampliare di molto le attuali potenzialità di marker assisted selection e genomic selection per numerosissimi caratteri: contenuto di cadmio nel seme, resistenze a malattie, aspetti legati alla qualità, adattamento ai cambiamenti climatici, ecc;  
• consente di fare genome editing e, anche qualora le piante editate non venissero autorizzate alla coltivazione, fare genome editing permette di comprendere le funzioni dei geni e le stesse mutazioni potranno essere riprodotte con metodi consentiti dalla legislazione.
  

Prospettive

Il lavoro di sequenziamento del genoma di frumento duro è una tipica ricerca di base, con infinite possibilità applicative a patto che le applicazioni siano perseguite in modo coordinato e supportate finanziariamente.
Lavori di clonaggio dei geni responsabili di specifici caratteri, programmi di marker assisted selection o di genemic selection, introgressione di nuovi caratteri da forme selvatiche a varietà moderne sono solo alcuni esempi di lavori ad alto valore applicativo che si avvalgono delle conoscenze del genoma. Altri paesi si stanno già muovendo in questa direzione, se l’Italia non farà nulla tutto il know-how che è stato sviluppato sarà sfruttato da altri.
Allo stesso modo qualunque ricerca di base apre nuove prospettive di ricerca, nel caso del frumento duro la prossima frontiera della ricerca genomica è rappresentato dai lavori di risequenzaimento e dallo studio del pool genico della specie (tutti i geni della specie che sono molti di più di tutti i geni che sono stati trovati in Svevo). Il lavoro sul genoma di Svevo ha data alla ricerca Italiana la leadership mondiale in questo settore in un clima di condivisione e collaborazione internazionale. La ricerca di base definisce la leadership scientifica ed una posizione di leadership ha un ritorno di immagine, ma, soprattutto, consente di gestire l’innovazione con un chiaro vantaggio di posizione. Se il Paese vuole mantenere questa condizione deve farsi carico di idonei investimenti.