Nuovo metodo consentirà rapido prelievo - trasferimento di geni di resistenza

Alcuni cenni al miglioramento genetico delle popolazioni vegetali

Le piante domestiche sono piante selezionate nei secoli e portatrici di qualità di pregio (in genere alimentare). Il miglioramento di piante autogame (auto-fecondate) viene ottenuto agevolmente incrociando dei genotipi parentali, finché essi raggiungano l'omozigosi per molti caratteri e li manifestino esteriormente nel loro aspetto/effetto positivo, o negativo; le piante così ricavate possono essere quindi selezionate, o re-incrociate con varietà differenti, per creare dei nuovi genotipi, che riuniscano le migliori caratteristiche delle varietà (dei genotipi) di partenza.

La selezione dei migliori caratteri mantiene le piante autogame vigorose, sebbene le loro popolazioni abbiano un pool genico molto ridotto e sempre che tra tali caratteri ci siano quelli in grado di fornire alle piante la resistenza ai fattori ambientali avversi. Tali piante sono infatti portatrici, per ciascun carattere, di pochissime espressioni del relativo gene allele (con piante aventi genotipi identici vi potrebbero essere al massimo due diverse espressioni di uno stesso gene). Il problema di queste piante è di essere quindi poco adattabili alle variazioni dell'ambiente e alla comparsa di nuovi parassiti, sebbene l'autogamia non è mai assoluta e inoltre possono anche verificarsi mutazioni geniche. Tutto ciò mantiene quindi un livello minimo di variabilità e di adattabilità ai cambiamenti anche nelle specie autogame. Aumentando la variabilità (l'eterozigosi) di varietà di specie autogame si determina però anche l'allontanamento della popolazione vegetale, dalle sue caratteristiche di riferimento, rendendo quindi necessario procedere a periodiche attività di selezione per portare a prevalere i caratteri qualitativamente più apprezzati.

Per contro le piante allogame mal sopportano l'autogamia e quando essa viene artificialmente creata deve essere curato di non ridurre l'eterozigosi sotto un certo livello. Le popolazioni locali di piante allogame (eco-tipi) sono quindi portatrici di molteplici espressioni differenti di ciascun allele e quindi di molteplici genotipi differenti e in tal modo si mantengono molto più in grado di adattarsi alla variazione delle condizioni ambientali (fitness adattativo); esse, attraverso l'eterozigosi di molteplici genotipi differenti, mantengono una variabilità potenziale, che si può manifestare, in forma di un maggiore adattamento, al cambiamento dell'ambiente di coltivazione.

Per molti anni la selezione di piante annuali autogame (es. il frumento) ha puntato quasi solo a migliorarne le caratteristiche alimentari, trascurando cioè l'introduzione della resistenza ai parassiti e per tale ragione molte varietà alimentari, sebbene gustose e produttive, sono afflitte da malattie e altri parassiti, che le rendono meno convenienti da coltivare, se non ricorrendo a un'intensa difesa antiparassitaria. Questo tipo di approccio alla selezione è però cambiato, poiché la maggiore sensibilità delle piante ai parassiti incide direttamente sulle loro rese produttive. Alla fine la soluzione per i genetisti è mettersi alla ricerca di geni, presenti in altre varietà o in specie affini selvatiche, per poterli poi introdurre nelle piante che necessitano di essere migliorate.

In generale nell'attività di miglioramento delle piante coltivate si può però incappare nella circostanza che alcuni caratteri positivi possano trovarsi associati (nel DNA) a caratteri negativi: ciò rende ancora più complicata l'opera di miglioramento genetico poiché, incrociando direttamente varietà migliorate con altre selvatiche, si rischia di far sostituire, nei relativi genotipi, molti dei geni selezionati, con corrispondenti alleli portatori di caratteristiche negative.
Anche per questo motivo le tecniche di miglioramento genetico tradizionale richiedono molto tempo, rispetto alla genetica moderna che, servendosi di biotecnologie di recente scoperta, è in grado di ridurre molto i tempi e i costi necessari, ad esempio, introducendo dall'esterno geni portatori di caratteristiche utili.
Tali tecniche vengono di giorno in giorno incrementate, con l'introduzione di nuove e più agevoli procedure sperimentali, in cui gli scienziati tentano spesso anche di evitare ostacoli frapposti alla ricerca, da parte di gruppi e associazioni che sollevano questioni di natura etica non sempre evidenti.

La nuova tecnica dell'AgRenSeq messa a punto dall'Università di Sidney e dal britannico John Innes Center

Tra le nuove tecniche di miglioramento genetico delle piante si segnala una nuova procedura, denominata AgRenSeq, realizzata attraverso la collaborazione tra l'Università di Sidney (Australia) e il John Innes Center (Gran Bretagna), che sembra potrà consentire un trasferimento di geni, veloce ed economico, a partire da piante selvatiche portatrici di caratteri adattativi, in grado di risolvere emergenze fitosanitarie delle piante coltivate, come in particolare quella dei nuovi e insidiosi ceppi della ruggine dei cereali. Questo studio parte da uno precedente, che era stato realizzato con anche la collaborazione di CSIRO (il Consiglio nazionale australiano per la Ricerca scientifica).

Il professor Harbans Bariana dell'Istituto di Agricoltura di Sydney e della Scuola di Scienze della Vita e dell'Ambiente è un esperto di genetica della ruggine dei cereali e coautore dell'articolo illustrante lo studio effettuato, che è stato pubblicato sulla rivista Nature Biotechnology. Riguardo la sua ricerca egli ha indicato: 'Questa tecnologia sosterrà la rapida scoperta e caratterizzazione di nuove fonti di resistenza alle malattie delle piante.'

I geni, la cui espressione fenotipica determina la rappresentazione di caratteri utili per il miglioramento delle piante coltivate, dopo esser stati identificati, potranno ora essere agevolmente trasferiti, attraverso la consultazione di una biblioteca dei geni di resistenza, scoperti nei parenti selvatici delle piante coltivate.
Partendo da tali informazioni i ricercatori potranno poi utilizzare delle tecniche di laboratorio per clonare i geni e introdurli in varietà già precedentemente selezionate, per migliorarle dal punto di vista fitosanitario.

Il dottor Brande Wulff, capo di un progetto di genetica vegetale al John Innes Centre (UK) e autore principale di questo studio ha detto: 'Abbiamo trovato una via per scansionare il genoma di parenti selvatici delle piante coltivate e tirar fuori i geni di resistenza di cui abbiamo bisogno: e possiamo farlo in un tempo record. Questo era un processo che solitamente richiedeva 10 o 15 anni ed era come cercare un ago in un pagliaio. Abbiamo perfezionato un metodo tale che si possano clonare questi geni in un termine di pochi mesi e per sole alcune migliaia di dollari, anziché milioni.'

Egli ha così concluso le sue considerazioni: 'Aver accelerato la clonazione, col nostro insieme di strumenti, significa che le colture più richieste potranno essere rese più resilienti, il che consente raccolti più elevati e ridotta necessità di affidarsi agli antiparassitari, per proteggere le coltivazioni'. E' evidente che tale circostanza è vantaggiosa per gli agricoltori, i quali, oltre ad avere una riduzione del costo di produzione, saranno meno esposti alla tossicità di alcuni antiparassitari, che riguarda particolarmente gli operatori che effettuano la distribuzione di queste molecole.

Il nuovo metodo, come segnalano gli autori di questo studio, combina il sequenziamento del DNA con le opportunità offerte dalla bioinformatica; esso inoltre fonde due tecnologie nella gestione dei geni: la genetica associativa (che permette ai ricercatori di identificare le associazioni tra differenti regioni del genoma e i tratti di resistenza alle malattie, all'interno di molte piante) e la cattura delle sequenze, che permette di puntare a specifiche regioni delle proteine immunitarie recettrici, codificanti il genoma. Ciò, come viene indicato in conclusione, rende questo sistema un'alternativa economica al sequenziamento dell'intero genoma.

Questo metodo era stato messo a punto in una precedente ricerca e l'esperimento qui segnalato ha avuto il solo obbiettivo di provarlo e in tal senso ha utilizzato come controllo due geni di frumento, clonati dal gruppo internazionale di ricercatori e di cui Il professor Harbans Bariana ha condotto la valutazione fenotipica.

Durante le prove i ricercatori hanno raggruppato 151 forme della specie selvatica Aegilops tauschii, un progenitore del moderno frumento tenero (esaploide) che gli ha fornito l'importante 'genoma D'. Le popolazioni di questa specie, come riferiscono i ricercatori, sono portatrici di una quantità di diversità genetica utile per combattere le malattie, ma che con il tempo è stata espulsa dai genotipi delle migliori varietà di frumento.

I gruppo di ricercatori ha inoculato la popolazione dei parenti selvatici del frumento con il patogeno della ruggine del culmo e ha poi analizzato le piante, per identificare quelle resistenti e quelle suscettibili alla malattia. Correlando questa informazione con le sequenze di DNA delle piante essi sono stati in grado di rivelare l'identità dei geni di resistenza funzionale, presenti all'interno della popolazione di Aegilops tauschii.
La ricerca rivela quindi che la prova del metodo AgRenSeq ha avuto il successo sperato, poiché i ricercatori, durante il loro esperimento, hanno identificato e clonato, in pochi mesi, quattro geni di resistenza al devastante patogeno della ruggine del culmo. Utilizzando i metodi convenzionali sarebbero stati necessari dieci anni.

Il lavoro effettuato sul frumento selvatico è stato quindi utilizzato come 'prova di concetto', preparando la strada per il miglioramento di altre colture che abbiano parenti selvatici, tra cui ad esempio: soia, pisello, cotone, mais, patata, frumento, orzo, riso, banana e cocco.
A riguardo la dott.ssa Sanu Arora, prima autrice del lavoro presso il John Innes Centre, ha riferito: 'Quel che abbiamo adesso è una biblioteca di geni di resistenza alle malattie e abbiamo sviluppato un algoritmo, che abilita i ricercatori a scansionare rapidamente tale libreria e trovare geni di resistenza funzionale'.

Anche il laboratorio del dott.Wulff ha sperimentato la tecnica dell'ibridazione veloce. Egli ritiene che AgRenSeq sia la perfetta tecnologia mancante ed ha detto: 'Ciò è il culmine di un sogno, il risultato del lavoro di molti anni. I nostri risultati dimostrano che AgRenSeq è un robusto protocollo per scoprire rapidamente geni di resistenza, da un gruppo di parenti selvatici delle coltivazioni, che siano geneticamente diversi. Se si verifica un'epidemia possiamo recarci alla nostra biblioteca e inoculare quel patogeno nel nostro gruppo di specie (bio)-diverse e tirar fuori i geni di resistenza.
Utilizzando una clonazione veloce e una veloce riproduzione possiamo rilasciare i geni di resistenza nelle varietà coltivate di qualità entro un paio di anni, come una fenice che viene fuori dalle ceneri'.

Questa ricerca è stata sovvenzionata dal Consiglio di Ricerca britannico per le Scienze biologiche e biotecnologiche (BBSRC).

Fonte/i: University of Sidney, 5 February 2019 - John Innes Centre, 4 febbraio 2019

Autore dell'articolo: , 13 febbraio 2019

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