Tracciare l'impatto di un parente perduto da tempo sul grano pane moderno
Il lavoro investigativo genetico ha scoperto un oscuro antenato del moderno grano tenero, in una scoperta simile alla scoperta di un famoso parente perduto da tempo attraverso l'analisi del DNA negli esseri umani.
In uno studio apparso su Nature Biotechnology i ricercatori hanno sequenziato il DNA da 242 accessi unici di Aegilops tauschii raccolte nel corso di decenni da tutto il suo areale nativo, dalla Turchia all'Asia centrale.
L'analisi del genoma della popolazione condotta dal dottor Kumar Gaurav del John Innes Center ha rivelato l'esistenza di un lignaggio distinto di Aegilops tauschii limitato all'attuale Georgia, nella regione del Caucaso – a circa 500 chilometri dalla Mezzaluna Fertile dove fu coltivato per la prima volta il grano – un'area che si estende attraverso l'odierno Iraq, Siria, Libano, Palestina, Israele, Giordania ed Egitto.
Primo autore dello studio in Nature Biotechnology, Il dottor Kumar Gaurav ha affermato:"La scoperta di questo contributo precedentemente sconosciuto al genoma del grano tenero è simile alla scoperta dell'introgressione del DNA di Neanderthal nel genoma umano fuori dall'Africa.
Ricercatori durante un viaggio di foraggiamento di parenti di grano selvatico nelle montagne centrali di Zagros nell'Iran occidentale. Credito:Ali Mehrabi
“È molto probabile che sia avvenuto attraverso un'ibridazione al di fuori della Mezzaluna Fertile. Questo gruppo di accessioni georgiane forma un lignaggio distinto che ha contribuito al genoma del grano lasciando un'impronta nel DNA."
La scoperta arriva attraverso un'importante collaborazione internazionale per migliorare le colture esplorando l'utile diversità genetica in Aegilops tauschii, un parente selvaggio del grano tenero. L'Open Wild Wheat Consortium ha riunito 38 gruppi di ricerca e ricercatori di 17 paesi.
Ulteriori ricerche del gruppo del Dr. Jesse Poland alla Kansas State University sono state pubblicate in un documento di accompagnamento in Communications Biology e mostra che l'ancestrale Aegilops tauschii Il DNA che si trova nel grano tenero moderno include il gene che conferisce forza ed elasticità superiori all'impasto.
Il Dr. Poland ha dichiarato:"Siamo rimasti sorpresi di scoprire che questo lignaggio ha fornito il gene più noto per una qualità superiore dell'impasto".
I ricercatori ipotizzano che il lignaggio appena scoperto potrebbe essere stato geograficamente più diffuso in passato e che potrebbe essersi separato come popolazione di refugium durante l'ultima era glaciale.
Riflettendo su tutto ciò che è venuto insieme per rendere possibile questo lavoro, il dottor Brande Wulff, corrispondente autore dello studio, ha osservato:"Cinquanta o sessant'anni fa, in un momento in cui capivamo a malapena il DNA, i miei antenati scientifici stavano attraversando le montagne di Zagros nel Medio Oriente e Siria e Iraq. Stavano raccogliendo semi, forse avendo la sensazione che un giorno questi potessero essere usati per migliorare il grano. Ora siamo così vicini a sbloccare quel potenziale e per me è straordinariamente eccitante".
Decifrare il genoma complesso del grano
Il moderno frumento "esaploide", è una complessa combinazione genetica di diverse graminacee con un enorme codice genetico, suddivisa in sottogenomi A, B e D. Il grano esaploide rappresenta il 95% di tutto il grano coltivato. Esaploide significa che il DNA contiene sei serie di cromosomi, tre paia di ciascuno.
Attraverso una combinazione di ibridazioni naturali e coltivazione umana, Aegilops tauschii ha fornito il genoma D al grano moderno. Il genoma D ha aggiunto le proprietà per fare l'impasto e ha permesso al grano tenero di prosperare in climi e terreni diversi.
L'origine del moderno grano tenero esaploide è stata a lungo oggetto di un attento esame con prove archeologiche e genetiche che suggeriscono che il primo grano fu coltivato 10.000 anni fa nella Mezzaluna Fertile.
L'addomesticamento, pur aumentando la resa e aumentando le prestazioni agronomiche, è avvenuto a scapito di un pronunciato collo di bottiglia genetico che erode la diversità genetica per i tratti protettivi che si trovano in Aegilops tauschii come la resistenza alle malattie e la tolleranza al calore.
L'analisi eseguita dal Dr. Gaurav e dal team di ricerca ha rivelato che solo il 25% della diversità genetica presente in Aegilops tauschii trasformato in grano esaploide. Per esplorare questa diversità nel pool genetico selvatico, hanno utilizzato una tecnica chiamata mapping di associazione per scoprire nuovi geni candidati per la resistenza alle malattie e ai parassiti, la resa e la resilienza ambientale.
Il dottor Sanu Arora, che in precedenza aveva condotto uno studio per clonare i geni di resistenza alle malattie da Aegilops tauschii ha affermato:"In precedenza eravamo limitati a esplorare un sottoinsieme molto piccolo del genoma per la resistenza alle malattie, ma nello studio attuale abbiamo generato dati e tecniche per intraprendere un'esplorazione imparziale della diversità delle specie".
Ulteriori esperimenti hanno dimostrato il trasferimento di geni candidati per un sottoinsieme di questi tratti nel grano utilizzando la trasformazione genetica e l'incrocio convenzionale — facilitato da una libreria di frumenti sintetici — materiale appositamente allevato che incorpora Aegilops tauschii genomi.
Questa libreria di frumenti sintetici disponibile pubblicamente cattura il 70 percento della diversità presente in tutti e tre gli Aegilops tauschii conosciuti lignaggi, consentendo ai ricercatori di valutare rapidamente i tratti in uno sfondo di frumenti esaploidi.
"Il nostro studio fornisce una pipeline end-to-end per l'esplorazione rapida e sistematica dell'Aegilops tauschii pool genetico per migliorare il grano tenero moderno", afferma il dott. Wulff.
"La diversità genetica della glutenina ad alto peso molecolare in Aegilops tauschii dimostra l'origine unica di una qualità superiore del grano", appare in Biologia della comunicazione .
Riferimento:"Analisi genomica della popolazione di Aegilops tauschii identifica obiettivi per il miglioramento del grano tenero” di Kumar Gaurav, Sanu Arora, Paula Silva, Javier Sánchez-Martín, Richard Horsnell, Liangliang Gao, Gurcharn S. Brar, Victoria Widrig, W. John Raupp, Narinder Singh, Shuangye Wu, Sandip M. Kale, Catherine Chinoy, Paul Nicholson, Jesús Quiroz-Chávez, James Simmonds, Sadiye Hayta, Mark A. Smedley, Wendy Harwood, Suzannah Pearce, David Gilbert, Ngonidzashe Kangara, Catherine Gardener, Macarena Forner-Martínez, Jiaqian Liu, Guotai Yu, Scott A. Boden, Attilio Pascucci, Sreya Ghosh, Amber N. Hafeez, Tom O'Hara, Joshua Waites, Jitender Cheema, Burkhard Steuernagel, Mehran Patpour, Annemarie Fejer Justesen, Shuyu Liu, Jackie C. Rudd, Raz Avni, Amir Sharon , Barbara Steiner, Rizky Pasthika Kirana, Hermann Buerstmayr, Ali A. Mehrabi, Firuza Y. Nasyrova, Noam Chayut, Oadi Matny, Brian J. Steffenson, Nitika Sandhu, Parveen Chhuneja, Evans Lagudah, Ahmed F. Elkot, Simon Tyrrell, Xingdong Bian, Robert P. Davey, Martin Simonsen, Leif Schauser, Vijay K. Ti wari, H. Randy Kutcher, Pierre Hucl, Aili Li, Deng-Cai Liu, Long Mao, Steven Xu, Gina Brown-Guedira, Justin Faris, Jan Dvorak, Ming-Cheng Luo, Ksenia Krasileva, Thomas Lux, Susanne Artmeier, Klaus F. X. Mayer, Cristobal Uauy, Martin Mascher, Alison R. Bentley, Beat Keller, Jesse Poland e Brande B. H. Wulff, 1 novembre 2021, Nature Biotechnology .
DOI:10.1038/s41587-021-01058-4
