Il frumento duro
La pasta è uno dei prodotti tipici italiani più conosciuti e amati al livello mondiale e caratterizza fortemente la tradizione della cucina italiana. Tutti sanno che l’ingrediente base della pasta è la farina di frumento duro, ma forse non tutti sanno che ancora oggi questa coltura è oggetto di miglioramento genetico e ricerca scientifica.
Il frumento duro [Triticum turgidum L. ssp. durum (Desf.) Husn.] è una delle colture più importanti per la nutrizione umana a livello mondiale, con una produzione annuale di più di 40 milioni di tonnellate. Il più grande produttore a livello mondiale è l’Unione Europea, seguita da Canada, Turchia, Stati Uniti, Algeria, Mexico, Kazakhstan, Syria, e India. Tra i Paesi UE, l’Italia è considerata il Paese leader per quanto riguarda la produzione di frumento duro. Una delle tipiche aree di coltivazione del frumento duro è il bacino del Mediterraneo. Non a caso, il frumento duro è l’ingrediente base per i principali cibi della tradizione mediterranea, come la pasta, il cous cous, il burghul.
Il frumento duro si è evoluto dal farro [T. turgidum ssp. dicoccum (Schrank ex Schübl.) Thell.], che a sua volta si è originato dal farro selvatico [T. turgidum ssp. dicoccoides (Körn. ex Asch. & Graebn.) Thell.] nella Mezzaluna Fertile, circa 10 000 anni fa. Recentemente, il genoma del frumento duro è stato sequenziato, grazie allo sforzo congiunto di diversi gruppi di ricerca a livello internazionale, tra cui l’Italia. Questo grande risultato scientifico ha dato nuovo impulso alla ricerca e al miglioramento genetico del frumento duro, grazie alla disponibilità di nuovi dati genetici e genomici.
Il miglioramento genetico del frumento è focalizzato su diversi aspetti: aumentare la resa e la sua stabilità nel tempo, ridurre la richiesta di acqua, fertilizzanti e altri input esterni, aumentare la capacità produttiva in ambienti marginali, rendere le varietà di frumento più resistenti all’attacco di patogeni o più tolleranti agli stress ambientali, in particolare nell’attuale scenario dovuto ai cambiamenti climatici. O ancora, un importante obiettivo riguarda il miglioramento del livello nutrizionale e del valore salutistico del frumento. Per ottenere questi importanti obiettivi, è però necessario identificare e studiare nuovi geni o nuove varianti geniche.
Alla ricerca di diversità genetica
Ma dove cercare queste nuove risorse genetiche? È ben noto che tantissime specie agrarie, incluso il frumento duro, hanno perso gran parte della variabilità genetica originale presente nei loro progenitori. Negli ultimi decenni queste specie hanno subìto un’erosione genetica in quanto le varietà locali sono state sostituite quasi del tutto con varietà moderne geneticamente uniformi, caratterizzate da un’alta resa e una facilità di lavorazione, ma anche da una minore resistenza ai patogeni e tolleranza agli stress ambientali, come lo stress idrico o lo stress termico. Questo ha quindi portato a una perdita di importanti risorse di germoplasma utili alle attuali necessità di un’agricoltura più sostenibile, in un contesto di crisi climatica e ambientale.
La diversità genetica è però ancora presente nei genotipi selvatici delle diverse specie, molto vicini ai progenitori delle varietà che sono state poi domesticate, ma anche nelle prime varietà coltivate, gli ecotipi locali o varietà tradizionali, comunemente noti come landrace. Queste landrace sono definite da specifiche caratteristiche: i) una chiara origine storica, ii) una forte identità genetica, iii) un adattamento a condizioni ambientali locali e specifiche, iv) un basso miglioramento genetico formale e v) l’associazione con sistemi agricoli tradizionali e locali.
In questo scenario, le comunità scientifiche hanno iniziate a collaborare per costituire collezioni di germoplasma e mantenere questa variabilità genetica. Tali collezioni rappresentano una risorsa primaria per esaminare la diversità genetica di specie vegetali e identificare nuovi caratteri di interesse che possono essere utilizzati nel miglioramento genetico delle piante di interesse agrario, al fine di creare nuove varietà migliorate per tolleranza agli stress ambientali o valore nutrizionale.
Per quanto riguarda il frumento duro, la comunità scientifica di riferimento ha recentemente costituito un’ampia collezione genetica denominata Global Durum Panel, formata da 1011 genotipi di frumento duro provenienti da tutto il mondo. Questa collezione consiste in un’ampia rappresentazione del germoplasma moderno e delle landrace relativi alla specie Triticum turgidum ssp. durum, e include anche una selezione di farro e di frumenti tetraploidi primitivi al fine di massimizzare la diversità genetica. Tutti i 1011 genotipi sono stati caratterizzati a livello genetico attraverso l’uso di specifici marcatori molecolari, detti SNP (Single Nucleotide Polymorphism, cioè polimorfismo di singolo nucleotide), che identificano variazioni a livello di singola base nella sequenza del genoma.
All’IBBA-CNR è tutt’ora in studio un subset di questa collezione di 215 genotipi, principalmente landrace, originari di 33 diversi Paesi del mondo e rappresentativi representing della diversità genetica presente nella Global Durum Panel. Le zone maggiormente rappresentate sono Asia Occidentale, Nord Africa, Italia, Asia Centrale, Corno d’Africa. I genotipi della collezione sono molto diversi tra loro per svariate caratteristiche visibili a occhio nudo, tra cui l’altezza, il colore delle foglie, il colore della spiga, la presenza e il colore delle reste, la tendenza all’allettamento, il tempo di fioritura e maturazione dei semi, come risulta evidente dalla fotografia qui riportata delle piante cresciute nelle nostre prove sperimentali. Questi caratteri mostrano chiaramente la variabilità genetica presente nella collezione selezionata. In questa variabilità genetica sono probabilmente presenti anche caratteri relativi a resistenza a malattie, stress ambientali, o caratteri nutrizionali di interesse.
Gli studi di associazione
Ma come identificare e utilizzare tutta questa variabilità genetica? Uno degli strumenti recentemente più utilizzati nella ricerca scientifica è lo studio di associazione a livello genomico (in inglese Genome Wide Association Study, GWAS). Uno studio di associazione è un’indagine di varianti genetiche in diversi genotipi di una specie, allo scopo di verificare se alcune di queste varianti sono associate ad uno specifico carattere di interesse. Il primo dato che viene utilizzato per questo tipo di analisi sono precise informazioni genetiche, o marcatori molecolari, generalmente SNP. La seconda fonte di informazione comprende la misurazione di un carattere fenotipico di interesse, che deve essere espresso sotto forma di numero. Esempi di un carattere fenotipico per le piante sono l’altezza, il tempo di fioritura, la dimensione delle foglie o delle radici, la misurazione dei sintomi di un attacco da patogeno. Una volta ottenute le informazioni genetiche e quelle fenotipiche di un alto numero di genotipi della stessa specie, si procede con associare queste informazioni. L’analisi viene eseguita tramite specifici software che utilizzano strumenti statistici per dedurre l’associazione genotipo-fenotipo. Il risultato è la probabilità per ogni SNP di essere associato al fenotipo misurato. Una volta identificati gli SNP che risultano più probabilmente associati al fenotipo di interesse, si procede a controllare i geni che si trovano nella regione del cromosoma vicina a questi SNP: vengono cioè cercati i possibili geni implicati nel cambiamento di fenotipo tra un genotipo e l’altro. Infine, si procede con la ricerca di precise varianti genetiche e con l’analisi funzionale dei geni identificati per capire le cause biologiche del fenotipo sotto esame.
Gli studi riguardanti la diversità genetica in frumento duro all’IBBA-CNR
Per sfruttare la diversità genetica presente nel subset della collezione Global Durum Panel sopra descritta, all’IBBA-CNR sono in corso diversi progetti di ricerca volti a identificare caratteri di interesse riguardanti la saluta della pianta e la salute umana.
All’interno del progetto sPATIALS3 “Miglioramento delle produzioni agroalimentari e tecnologie innovative per un’alimentazione più sana, sicura e sostenibile” è stata studiata la variabilità dei livelli di asparagina libera nella granella dei genotipi di frumento duro e sono state identificate regione genomiche associate all’accumulo di questo metabolita, attraverso analisi GWAS. Questo aspetto è molto importante, in quanto l’asparagina libera nelle farine dei cereali è il fattore chiave della formazione di acrilamide, una molecola neurotossica e probabilmente cancerogena presente negli alimenti che sono esposti a temperature elevate durante la loro preparazione. Una diminuzione di asparagina libera nella farina di frumento porterebbe quindi a una minore produzione di acrilamide negli alimenti a base di farina di frumento, e quindi a un cibo più sano e sicuro.
Un altro progetto in cui si sta sfruttando la variabilità genetica della collezione è il progetto SURF “Selezione e sviluppo di materiali genetici per la resistenza alle virosi del frumento”. La produzione di frumento è spesso danneggiata da diverse malattie, tra cui alcune di origine virale. Tra i virus più diffusi in Italia vi è il virus del mosaico comune del frumento (soil-borne cereal mosaic virus, SBCMV), trasmesso dal suolo alla pianta tramite un vettore, il protozoo plasmodioforale Polymyxa graminis Led. Le spore di questo protozoo possono rimanere attive nei terreni per più di dieci anni. Poiché non esistono metodi per eliminare il virus dal terreno, l’unica soluzione è sviluppare e coltivare varietà di frumento resistenti al virus. All’interno del progetto SURF, è quindi in corso uno studio di associazione tra i dati fenotipici (entità di infezione del virus) e genotipici (SNP), al fine di individuare regioni del genoma di frumento duro associate alla resistenza a SBCMV e geni putativamente coinvolti nella resistenza, che potranno essere utilizzati in futuri programmi di miglioramento genetico per aumentare la resistenza alla virosi.
Infine, all’IBBA è in corso un’analisi metabolomica ad alta risoluzione, con approccio untargeted, delle farine degli oltre 200 genotipi di frumento duro oggetto di studio. Questa metodologia è in grado di caratterizzare i profili metabolici delle farine a livello di migliaia di composti contemporaneamente, sia polari (ad esempio aminoacidi) che apolari (come polifenoli e lipidi), e quindi di identificare genotipi caratterizzati dall’accumulo di particolari metaboliti ad alto interesse nutrizionale. L’analisi di associazione consentirà di individuare le regioni cromosomiche associate a un maggiore accumulo di metaboliti ad alto interesse nutrizionale, come i polifenoli.
Questi esempi ben rappresentano come la ricerca scientifica, attraverso le più moderne tecnologie di analisi, può sfruttare la diversità genetica presente in natura al fine di creare una agricoltura più sostenibile, in grado di affrontare le sfide che si presentano a causa dei cambiamenti climatici globali, in un’ottica di sicurezza alimentare globale.
Autore: Elena Baldoni
