di SERGIO SALVI
In due lavori da poco usciti online sulla rivista Molecular Plant¹, altrettanti gruppi di ricerca cinesi sono riusciti ad abbattere l’ultimo muro che ancora separava i genetisti agrari dalla conoscenza completa dei geni-chiave introdotti da Nazareno Strampelli, ormai oltre un secolo fa, nelle sue varietà migliorate di frumento, antesignane delle moderne cultivars diffuse in gran parte del pianeta.
Si tratta dell’isolamento e della caratterizzazione di Rht8, il gene responsabile del semi-nanismo del frumento tenero, presente nella varietà giapponese Akakomugi impiegata da Strampelli per ottenere varietà di bassa statura resistenti all’allettamento (come le celebri Ardito e Mentana, ampiamente utilizzate a partire dal secondo dopoguerra nei programmi internazionali di miglioramento genetico del cereale). Seguendo due distinti approcci sperimentali - l’uno basato sul map-based cloning, l’altro sull’identificazione di mutanti ottenuti mediante trattamento con EMS (Ethyl MethaneSulfonate) - i ricercatori cinesi sono riusciti ad assegnare il fenotipo controllato dal locus Rht8, presente sul cromosoma 2DS di Triticum aestivum, ad un sistema di due geni in tandem.
Il primo dei due geni, responsabile del fenotipo semi-nano, presenta una mutazione di tipo frameshift (1649 CG>T) responsabile della sintesi di una proteina tronca e, di conseguenza, non funzionante. I ricercatori hanno confermato che si tratta proprio della mutazione presente nella varietà Akakomugi (allele Rht8c). La stessa mutazione è presente anche nella seconda copia in tandem (identica alla precedente, ma che i ricercatori considerano essere uno pseudogene), sia nel locus wild-type sia nel locus mutante. In altre parole, la mutazione responsabile della riduzione dell’altezza della pianta (stimata mediamente in almeno 10 centimetri) determina una sorta di “silenziamento totale” del locus nel quale, al silenziamento arcaico della seconda copia (ossia lo pseudogene), si aggiunge anche quello (evolutivamente più recente) della copia di norma funzionante e associata ad una taglia maggiore.
Il gene, ribattezzato RNHL-D1, codifica per una proteina di tipo RiboNuclease H-Like, la cui esatta modalità di azione sarà oggetto di ulteriori indagini. Per il momento, grazie ad una serie di esperimenti di silenziamento mediante CRISPR/Cas9, overespressione in linee transgeniche e inattivazione dei geni omeologhi presenti sui genomi A e B delle linee di frumento tenero studiate, i ricercatori hanno confermato l’effetto esercitato in vivo dal gene mutato, ossia la riduzione dell’altezza della pianta. Grazie alla possibilità di combinare l’effetto semi-nanizzante di Rht8 con quello dei suoi omeologhi e di altri geni di riduzione della taglia, eventualmente cumulabili mediante gene pyramiding, sarà possibile ottenere - in modo più mirato - non solo nuove varietà di frumento più resistenti all’allettamento, ma anche più adatte alla semina a maggiori profondità.
Con i cambiamenti climatici in corso, infatti, si assiste ormai da tempo alla progressiva espansione delle aree caldo-aride, un tipo di ambiente in cui la semina delle varietà di frumento dotate di geni di “nanismo spinto”, come quelli introdotti da Borlaug all’epoca delle Rivoluzione verde e ancora oggi molto diffusi, si rivela sempre meno adatta. Il problema riguarda la famosa questione della lunghezza del coleoptile, ossia della guaina avvolgente la gemma dell’embrione che perfora il terreno durante la germinazione e aiuta la plantula ad emergere in superficie. Nelle varietà nane il coleoptile è più corto rispetto alle varietà semi-nane. Pertanto, se il seme delle varietà nane è collocato nel terreno più in profondità - il che si rende necessario negli ambienti caldo-aridi, per poter meglio intercettare l’umidità sottostante - la plantula non riesce a raggiungere la luce del sole e muore. Per le semine a maggiore profondità è invece necessario ricorrere a varietà semi-nane, quindi dotate anche di un coleoptile più lungo, una caratteristica resa possibile proprio dall’azione di geni come Rht8.
Ad oltre un secolo dai suoi primi pionieristici incroci, Nazareno Strampelli sta ancora aiutando il genere umano a portare il pane in tavola.
Si tratta dell’isolamento e della caratterizzazione di Rht8, il gene responsabile del semi-nanismo del frumento tenero, presente nella varietà giapponese Akakomugi impiegata da Strampelli per ottenere varietà di bassa statura resistenti all’allettamento (come le celebri Ardito e Mentana, ampiamente utilizzate a partire dal secondo dopoguerra nei programmi internazionali di miglioramento genetico del cereale). Seguendo due distinti approcci sperimentali - l’uno basato sul map-based cloning, l’altro sull’identificazione di mutanti ottenuti mediante trattamento con EMS (Ethyl MethaneSulfonate) - i ricercatori cinesi sono riusciti ad assegnare il fenotipo controllato dal locus Rht8, presente sul cromosoma 2DS di Triticum aestivum, ad un sistema di due geni in tandem.
Il primo dei due geni, responsabile del fenotipo semi-nano, presenta una mutazione di tipo frameshift (1649 CG>T) responsabile della sintesi di una proteina tronca e, di conseguenza, non funzionante. I ricercatori hanno confermato che si tratta proprio della mutazione presente nella varietà Akakomugi (allele Rht8c). La stessa mutazione è presente anche nella seconda copia in tandem (identica alla precedente, ma che i ricercatori considerano essere uno pseudogene), sia nel locus wild-type sia nel locus mutante. In altre parole, la mutazione responsabile della riduzione dell’altezza della pianta (stimata mediamente in almeno 10 centimetri) determina una sorta di “silenziamento totale” del locus nel quale, al silenziamento arcaico della seconda copia (ossia lo pseudogene), si aggiunge anche quello (evolutivamente più recente) della copia di norma funzionante e associata ad una taglia maggiore.
Il gene, ribattezzato RNHL-D1, codifica per una proteina di tipo RiboNuclease H-Like, la cui esatta modalità di azione sarà oggetto di ulteriori indagini. Per il momento, grazie ad una serie di esperimenti di silenziamento mediante CRISPR/Cas9, overespressione in linee transgeniche e inattivazione dei geni omeologhi presenti sui genomi A e B delle linee di frumento tenero studiate, i ricercatori hanno confermato l’effetto esercitato in vivo dal gene mutato, ossia la riduzione dell’altezza della pianta. Grazie alla possibilità di combinare l’effetto semi-nanizzante di Rht8 con quello dei suoi omeologhi e di altri geni di riduzione della taglia, eventualmente cumulabili mediante gene pyramiding, sarà possibile ottenere - in modo più mirato - non solo nuove varietà di frumento più resistenti all’allettamento, ma anche più adatte alla semina a maggiori profondità.
Con i cambiamenti climatici in corso, infatti, si assiste ormai da tempo alla progressiva espansione delle aree caldo-aride, un tipo di ambiente in cui la semina delle varietà di frumento dotate di geni di “nanismo spinto”, come quelli introdotti da Borlaug all’epoca delle Rivoluzione verde e ancora oggi molto diffusi, si rivela sempre meno adatta. Il problema riguarda la famosa questione della lunghezza del coleoptile, ossia della guaina avvolgente la gemma dell’embrione che perfora il terreno durante la germinazione e aiuta la plantula ad emergere in superficie. Nelle varietà nane il coleoptile è più corto rispetto alle varietà semi-nane. Pertanto, se il seme delle varietà nane è collocato nel terreno più in profondità - il che si rende necessario negli ambienti caldo-aridi, per poter meglio intercettare l’umidità sottostante - la plantula non riesce a raggiungere la luce del sole e muore. Per le semine a maggiore profondità è invece necessario ricorrere a varietà semi-nane, quindi dotate anche di un coleoptile più lungo, una caratteristica resa possibile proprio dall’azione di geni come Rht8.
Ad oltre un secolo dai suoi primi pionieristici incroci, Nazareno Strampelli sta ancora aiutando il genere umano a portare il pane in tavola.
[1] Chai L., Xin M., Dong C., Chen Z., Zhai H., Zhuang J., Cheng X., Wang N., Geng J., Wang X., Bian R., Yao Y., Guo W., Hu Z., Peng H., Bai G., Sun Q., Su Z., Liu J., and Ni Z. (2022). A natural variation in Ribonuclease H-like gene underlies Rht8 to confer “Green Revolution” trait in wheat. Mol. Plant. doi: https://doi.org/10.1016/j.molp.2022.01.013. Xiong H., Zhou C., Fu M., Guo H., Xie Y., Zhao L., Gu J., Zhao S., Ding Y., Li Y., Zhang J., Wang K., Li X., and Liu L. (2022). Cloning and Functional Characterization of Rht8, a “Green Revolution” Replacement Gene in Wheat. Mol. Plant. doi: https://doi.org/10.1016/j.molp.2022.01.014.
Biologo libero professionista, già ricercatore in genetica, è biografo di Nazareno Strampelli e cultore di storia agroalimentare. Si dedica alla divulgazione scientifica su temi d’interesse storico e di attualità. È Socio corrispondente della Deputazione di Storia Patria per le Marche.
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