Exploiting genomics and molecular markers for plant genetics and breeding

I marcatori co-dominanti, tra cui i Microsatelliti (o SSR), sono strumenti molecolari ampiamente utilizzati nell’ambito della ricerca di base e applicata in specie di interesse alimentare. Tra le possibili applicazioni ricordiamo il loro impiego per studi di tracciabilità genetica di prodotti alimentari, per analisi di diversità genetica di varietà locali e identità genetica di varietà moderne e per il miglioramento genetico. Infatti gli SSR sono noti per essere altamente polimorfici e discriminanti, ben distribuiti all’interno del genoma, non influenzati da fattori ambientali, più efficienti e robusti dei marcatori fenotipici nelle analisi di diversità tra genotipi. Tuttavia, un’indagine condotta su 90 articoli scientifici basati sull’identificazione varietale delle specie economicamente più rilevanti in Italia, ha messo in luce la mancanza di un approccio comune tra gli autori in relazione alle strategie da utilizzare per questo tipo di studi. Inoltre lo studio ha evidenziato il bisogno improrogabile di stabilire procedure comuni riguardanti: i) i criteri da adottare per la scelta dei marcatori SSR ii) i parametri genetici più utili a questo scopo. Per dimostrare il potenziale di questa classe di marcatori, vengono presentati due casi studio. Il primo, che ha come oggetto Agordino, un’antica varietà locale veneta di orzo (Hordeum vulgare L.), ha permesso di enfatizzare la possibilità concreta di utilizzare i microsatelliti per la tracciabilità genetica di varietà locali ed, in particolare, di prodotti alimentari derivati. La caratterizzazione delle quattro principali varietà di mais (Zea mays L.) in Veneto -Sponcio, Marano, Biancoperla e Rosso Piave- attraverso marcatori SSR si è dimostrata invece estremamente utile per monitorare e prevenire fenomeni di erosione genetica, consentendo così di preservare la ricchezza genetica che le caratterizza, la loro identità fenotipica e i tratti qualitativi. Nonostante l’interesse economico di alcune specie, non è così raro per i ricercatori doversi interfacciare con la totale mancanza di dati SSR e, più in generale, di informazioni genomiche. Finocchio (Foeniculum vulgare Mill., 2n=2x=22), a tal proposito, rappresenta un esempio calzante. Per sopperire a questa carenza di dati, è stato condotto un sequenziamento su piattaforma Illumina Hiseq 2500, permettendo così l’assemblaggio del prima bozza del genoma di finocchio in 300408 sequenze. La successiva annotazione ha consentito quindi di individuare e caratterizzare 103306 regioni altamente ripetute. Di queste, 40 scelte in modo casuale per il disegno di primer specifici, sono state testate e 14 sono state validate su una popolazione commerciale di 118 individui potenzialmente fruibili per lo sviluppo di ibridi F1. Inoltre, il primo trascrittoma di foglia di finocchio è stato prodotto sovrapponendo due trascrittomi uno assemblato de novo e l’altro in silico, tramite allineamento sul genoma. 47775 dei 79263 trascritti totali sono stati annotati e 11853 risultano contenere una sequenza codificante completa. L’assemblaggio ha quindi consentito l’identificazione di loci coinvolti nella via biosintetica dei trans-anetolo, componente preponderante degli oli essenziali di finocchio e noto per le sue abilità nel ridurre dolori gastro-intestinali nonché per la sua attività antitrombotica e ipotensiva. Analisi dettagliate hanno infine messo in luce 1011 trascritti codificanti per fattori di trascrizione (FT), 6411 microsatelliti (EST-SSR), 3955 inserzioni/delezioni e 43237 polimorfismi a singolo nucleotide (SNP). I marcatori di tipo SNP costituiscono un’altra classe di marcatori codominanti largamente sfruttati per la caratterizzazione di geni ad eredità Mendeliana e per l’analisi di poligeni o loci codificanti tratti quantitativi (QTL). Attraverso un approccio di genotipizzazione tramite sequenziamento (GBS) è stata costruita la prima mappa genetica in radicchio (Cichorium intybus L. subsp. intybus var. foliosum, 2n=2x=18) utilizzando una popolazione BC1 (ottenuta tramite tecniche di reincrocio) segregante 1:1 per il tratto “maschio sterilità”. Questo studio ha permesso di localizzare finemente il gene nucleare della maschio sterilità Cims1 all’interno del gruppo di associazione 9 e ha consentito l’identificazione di 4 SNP co-segreganti a 0 cM con il suddetto gene. Considerato che questa forma di maschio-sterilità, controllata da un singolo allele recessivo nucleare, è uno dei metodi più efficaci per produrre ibridi F1, questi risultati saranno di estrema utilità per studi di miglioramento genetico.