Biotechnology applications in sugar beet breeding

Lo scopo della tesi è stato quello di identificare marcatori molecolari associati alla tolleranza a stress biotici e abiotici in barbabietola da zucchero. La barbabietola attualmente produce circa il 20% dello zucchero mondiale. Uno dei maggiori obiettivi del miglioramento genetico è lo sviluppo di varietà che richiedano un sempre più basso utilizzo di mezzi tecnici per la coltivazione. Per raggiungere questo scopo, il breeding della barbabietola si è focalizzato su programmi di miglioramento genetico assistito da marcatori molecolari. Queste tecniche stanno rendendo la procedura di selezione più rapida, precisa e meno costosa. Lo sviluppo di un ampio set di marcatori SNP (Single Nucleotide Polymorphism) può facilitare l’identificazione e l’utilizzo di geni che controllano caratteri importanti di resistenza agli stress biotici e abiotici. Molte sono le tecniche che vengono utilizzate per lo sviluppo di marcatori SNP nelle piante. Fra queste, la tecnica Restriction-site Associated DNA (RAD), impiegata nel presente lavoro di tesi, è ampiamente diffusa e si basa sull'acquisizione e la caratterizzazione di regioni genomiche adiacenti a siti di restrizione riconosciuti da specifici enzimi. E’ stata utilizzata anche l’analisi dei segreganti riuniti (BSA) per identificare marcatori del DNA legati a geni o a regioni genomiche di interesse. Nella prima parte della tesi è stato messo a punto un set di 192 SNP per la genotipizzazione ad alta processività di accessioni di barbabietola utilizzando una recente piattaforma (QuantStudio 12K Flex system) rilasciata da Life Technologies, Inc. (Carlsbad, CA, USA). Nella seconda parte della tesi i 192 SNP sono stati utilizzati per determinare la relazione filogenetica tra le due fonti di resistenza alla rizomania Rizor e Holly (Rz1). L’analisi della varianza e delle componenti principali hanno confermato che le fonti Rizor e Holly sono indistinguibili. I risultati molecolari hanno dimostrato che la resistenza usata, dai coltivatori negli ultimi 30 anni, deriva dalle barbabietole maritime collezionate nel delta del Po. Nella terza parte è stato identificato il primo gene di tolleranza ai nematodi (HsBvm-1) in Beta vulgaris spp. maritima e il marcatore molecolare ad esso associato da utilizzare in programmi di miglioramento genetico. La quarta e quinta parte sono state focalizzate sulla resistenza a stress abiotici che compromettono la produzione di zucchero. La tendenza alla prefioritura, dovuta alle basse temperature nelle prime fasi di sviluppo della coltura, è una caratteristica indesiderata che causa gravi perdite nella resa di zucchero e interferisce con la raccolta. Un nuovo locus, implicato nel controllo genetico della tendenza alla fioritura, assieme a un marcatore ad esso legato sono stati mappati sul cromosoma 6. La localizzazione dello SNP sul genoma di riferimento della barbabietola da zucchero ha confermato l’associazione con il carattere della fioritura. Lo SNP è stato mappato in un gene che codifica per una proteina chiamata metalloproteinasi che causa un ritardo della fioritura e una prematura senescenza in Arabidopsis thaliana. Data la positiva e stretta relazione tra la resa in zucchero, il superamento della carenza idrico nutrizionale e le caratteristiche morfo-fisiologiche dell’apparato radicale, un’analisi dei segreganti riuniti è stata condotta per identificare marcatori SNP legati all'accrescimento radicale in barbabietola. Fra i 234 SNP esaminati, lo SNP10139 è risultato associato allo sviluppo radicale. Inoltre, lo SNP è stato mappato in un gene codificante un trasportatore di peptidi che influenza lo sviluppo radicale in Arabidopsis thaliana. In conclusione, gli SNP sviluppati in questo lavoro saranno utilizzati per la genotipizzazione di linee parentali e ibridi di barbabietola da zucchero, con rilevante impatto nei programmi di breeding.