R-Gene and Resistance-Gene-Analog Marker Development for Biotic-Stress Resistance and Tolerance in Grapevine Integrating candidate-gene cloning, sequence polymorphism, and defense-signaling methyltransferases for breeding and germplasm evaluation

Le viti sono puzzle viventi che i selezionatori cercano di risolvere da secoli. A differenza di molte colture che possono essere selezionate rapidamente, le viti sono piante complesse e longeve che portano un carico pesante di varietà genetica all'interno di un singolo individuo. Ciò rende difficile prevedere quali discendenti sopravvivranno a un'epidemia di malattie. Per un vigneto, un'unica infezione come l'oidio o la malattia di Pierce può annullare anni di lavoro. Per proteggere queste colture, gli scienziati cercano difese naturali nascoste nelle specie di vite selvatiche. Queste viti selvatiche possiedono spesso geni specifici che agiscono come interruttori del sistema immunitario, riconoscendo gli invasori e innescando una risposta difensiva. La sfida consiste nel trovare questi interruttori specifici tra i milioni di lettere del codice genetico che compongono una vite e poi capire come trasmetterli alle viti commerciali che le persone effettivamente bevono.

In uno studio che unisce esperimenti passati con strumenti genetici moderni, il ricercatore Davis Cheng ha rivisitato una collezione di dati raccolti tra il 2007 e il 2009 per vedere se potessero ancora aiutare a risolvere questo problema. L'obiettivo era trovare e mappare questi geni di difesa, noti come geni di resistenza, e vedere se le differenze genetiche tra viti selvatiche e coltivate potessero essere utilizzate come marcatori per accelerare la selezione. Il team non si è limitato a cercare i principali geni di difesa; ha esaminato anche le molecole di segnalazione che dicono alla pianta quando combattere. Riesaminando vecchie immagini di gel, sequenze di DNA clonato e record di incrocio, lo studio ha confermato che questi geni di difesa variano significativamente tra i diversi tipi di vite. Tuttavia, il lavoro ha fornito anche un fondamentale controllo di realtà: trovare una differenza genetica non significa automaticamente che tale differenza causi la resistenza.

La ricerca è iniziata assemblando una massiccia libreria di potenziali geni di difesa da database pubblici e da nuovi esperimenti. Il team ha identificato centinaia di candidati, inclusi oltre trecento geni che appartengono a una famiglia nota per il riconoscimento dei patogeni, insieme a decine di altri geni coinvolti nella segnalazione immunitaria della pianta. Si sono concentrati su un set specifico di viti selvatiche e linee di incrocio, incluse alcune della specie americana Vitis arizonica, note per la loro robustezza. Utilizzando un processo simile alla lettura di una frase specifica in un libro, i ricercatori hanno progettato primer per copiare e sequenziare questi geni da diversi genitori. Hanno poi cercato differenze nelle sequenze di DNA, come piccole inserzioni o delezioni, che potrebbero servire come impronte digitali uniche per ogni pianta.

Uno dei risultati più significativi è stato che le differenze genetiche più utili non si trovavano spesso nelle parti del gene che compongono la proteina, ma nelle regioni che controllano quando e quanto della proteina viene prodotta. I ricercatori hanno scoperto che le aree non codificanti, come i promotori che si trovano prima del gene, contenevano differenze chiare e stabili tra piante resistenti e suscettibili. Queste differenze erano più facili da individuare e più affidabili per il tracciamento rispetto ai cambiamenti nelle regioni codificanti delle proteine stesse. Questa scoperta ha evidenziato una strategia pratica: per trovare i migliori marcatori per la selezione, gli scienziati dovrebbero guardare agli interruttori regolatori del gene, non solo al motore.

Il team ha inoltre ampliato la ricerca oltre i classici geni di difesa, includendo un gruppo di enzimi che gestiscono i segnali chimici della pianta. Questi enzimi gestiscono le metiltransferasi, ovvero molecole che attaccano un piccolo segno chimico a ormoni della difesa come l'acido salicilico e l'acido jasmonico. Questi ormoni agiscono come messaggeri, dicendo alla pianta di attivare le proprie difese o di inviare un segnale di avvertimento alle foglie vicine. Lo studio ha dimostrato che anche i geni responsabili di questi enzimi variano ampiamente tra le diverse specie di vite. Ciò significa che i ricercatori avevano scoperto un secondo livello di marcatori, non solo per i sensori che rilevano la malattia, ma per la rete di comunicazione che coordina la risposta.

Tuttavia, lo studio ha fornito anche un necessario ammonimento. I ricercatori hanno testato diversi dei loro nuovi marcatori genetici contro la reale resistenza alle malattie in popolazioni di incrocio. Sebbene alcuni marcatori, come quelli per i geni etichettati come R9 e R19, mostrassero chiare differenze tra i genitori, non corrispondevano ai tratti di resistenza nella progenie. In altre parole, le piante che portavano la versione "resistente" del marcatore non erano necessariamente quelle che sopravvivevano alla malattia. Questo risultato non è stato un fallimento, ma una prova scientifica vitale. Ha dimostrato che avere una variazione genetica in un gene candidato non è la stessa cosa che avere un meccanismo di difesa funzionante. Ha confermato che i programmi di selezione devono testare rigorosamente i marcatori rispetto ai risultati reali della malattia, piuttosto che presumere che esista un legame genetico solo perché il DNA appare diverso.

Nonostante i risultati negativi per specifici marcatori, il valore complessivo del lavoro risiede nelle risorse che ha preservato e nella struttura che offre per il futuro. Lo studio ha archiviato con successo una grande collezione di sequenze geniche clonate e ha stabilito che la diversità genetica necessaria per la selezione esiste nei parenti selvatici della vite. Ha dimostrato che questi geni di difesa e i loro partner di segnalazione sono ricche fonti di variazione che possono essere tracciate. L'autore suggerisce che questi vecchi dati possono ora essere aggiornati utilizzando la tecnologia moderna. Mappando queste sequenze storiche su nuove mappe ad alta risoluzione del genoma della vite, gli scienziati possono trasformare questi vecchi marcatori in strumenti precisi. Ciò permetterebbe ai selezionatori di accumulare più geni di resistenza, creando viti robuste contro una vasta gamma di minacce senza la lunga attesa della selezione tradizionale.

L'articolo conclude che la strada verso una resistenza duratura della vite non consiste nel trovare un singolo gene magico, ma nel comprendere la complessa rete di sensori e segnali che proteggono la pianta. Il lavoro convalida l'idea che guardare l'intero sistema di difesa, inclusi i messaggeri chimici, fornisca una migliore tabella di marcia per la selezione rispetto al guardare solo i sensori. Sebbene i marcatori specifici testati negli anni 2000 non siano tutti risultati essere predittori perfetti, la strategia di utilizzare i geni candidati per trovare la variazione era corretta. La vera svolta è la conferma che questi strumenti genetici, se combinati con le moderne mappe genomiche, possono finalmente aiutare i selezionatori a navigare nella complessa genetica della vite per creare colture che siano sia di alta qualità che resilienti.