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H2020

Crossover control — Risultato in breve

Project ID: 703117
Finanziato nell'ambito di: H2020-EU.1.3.2.
Paese: Regno Unito
Dominio: Ricerca di base, Alimenti e Risorse naturali

Coltivazione veloce del grano

Quella delle colture è una battaglia costante contro malattie e condizioni meteorologiche. Gli scienziati hanno reso più facile il trasferimento di geni provenienti dal grano selvatico al grano tenero, in modo da consentire alle future colture di fronteggiare condizioni avverse quali la siccità.
Coltivazione veloce del grano
800 milioni di persone in tutto il mondo non hanno abbastanza cibo a disposizione. Per far fronte a questa situazione, gli agricoltori dovranno produrre tanto grano quanto ne è stato prodotto da quando sono iniziate le prime pratiche agricole più di 100 000 anni fa.

Il grano, come la maggior parte delle principali colture alimentari, è poliploide, cioè ha più di due serie di cromosomi. Il grano tenero coltivato oggi ha infatti sei serie di cromosomi. Per quanto riguarda la produzione di semi, questa condizione crea difficoltà in quanto tutte le serie devono accoppiarsi per produrre polline e ovociti vitali durante la divisione cellulare (meiosi). Il grano ha evoluto meccanismi genetici per stabilizzare questa situazione poliploide.

Il progetto Crossover control mirava a introdurre nuovi geni provenienti da parenti di grano selvatico per aumentare la resa delle colture. Per fare ciò, i ricercatori hanno dovuto agevolare l’accoppiamento tra cromosomi del grano selvatico e i loro parenti più recenti. È stata inoltre aumentata la frequenza del crossover, che mescola i geni antichi con quelli moderni. Affinché il raccolto mantenga la sua fertilità per produrre semi di grano, l’accoppiamento cromosomico bilanciato deve avvenire nella meiosi durante la produzione di cellule sessuali o gameti.

Un nuovo strumento per le colture: il Ph1

Alcuni scienziati con Crossover control hanno scoperto diversi meccanismi per raggiungere questo obiettivo, uno dei quali riguardava il gene chiave Ph1. «L’uso di ceppi di grano con diverse delezioni ha dimostrato che il gene Ph1 aumenta gli ibridi crossover tra il grano e i suoi parenti selvatici. Inoltre, l’efficacia dell’accoppiamento e quindi l’elevata fertilità nel grano tenero risultante sono state solo leggermente influenzate», spiega il professor Graham Moore, coordinatore del progetto.

Il gruppo di Crossover control ha quindi approfondito la propria ricerca sull’azione del Ph1. Il primo passo è stato quello di generare mutanti per il gene ZIP4 con un trattamento a base di etilmetansulfonato, i cosiddetti mutanti TILLING. «È noto che lo ZIP4 riduce o elimina il crossover in alcune specie, pertanto è un buon candidato per il controllo del fenotipo Ph1», sottolinea il prof. Moore.

Per confermare i risultati di TILLING, sono state utilizzate brevi ripetizioni palindrome aggregate regolarmente distanziate (tecnologia CRISPR) per eliminare specificamente il gene ZIP4. Anche in questo caso, i mutanti ZIP4 hanno mostrato un aumento degli ibridi di grano tenero/grano selvatico e un basso livello di accoppiamento errato, indicando una buona fertilità nelle piante di grano tenero.

Nutrienti essenziali incrementano il trasferimento genico

Durante gli esperimenti sui mutanti privi di Ph1, i ricercatori hanno anche testato gli effetti di diversi nutrienti nel terreno di coltura. Utilizzando la soluzione di Hoagland per fornire tutti i nutrienti essenziali necessari per la crescita delle piante, hanno osservato che era stato indotto un alto livello di crossover al momento della meiosi.

«Ulteriori test hanno dimostrato che lo ione Mg2+ era specificamente responsabile di questo aumento», osserva il prof. Moore. L’irrigazione di piante ibride prive di Ph1 con una soluzione di Hoagland 1 mM aumentava la frequenza del crossover.

A conferma dell’importanza dei risultati sul Ph1, i dati sono stati pubblicati in quattro articoli sottoposti a revisione paritaria sulle riviste Chromosoma, Molecular Breeding, Nature Plants e Frontiers in Plant Science.

Passi avanti nella ricerca sui raccolti: portare a casa il pane

In termini di impatto, un certo numero di selezionatori, sia all’interno che all’esterno dell’UE, ha richiesto il materiale per colture ZIP4 TILLING. Il progetto Crossover control ha garantito libertà da ogni restrizione sulla proprietà intellettuale, per cui oggi queste linee vengono utilizzate nei programmi di selezione.

«Più del 70 % delle piante da fiore sono poliploidi, inclusa la maggior parte delle colture più importanti al mondo come caffè, fragole e banane», sottolinea il prof. Moore. L’uso del materiale ZIP4 TILLING oggi disponibile fornirà informazioni sulla genetica di altri poliploidi e su come gestiscono la produzione di semi. «Sarà interessante accertare quanti altri poliploidi abbiano sfruttato questo gene per stabilizzarsi durante la meiosi», conclude il prof. Moore.

Keywords

Crossover control, grano, Ph1, ZIP4, cromosoma, selezionatore, CRISPR