Genetic mapping in two independent durum wheat accessions PI 244061 and PI 209274 identified shared loci for leaf rust resistance on chromosome 6BS
La mappatura genetica di due accessioni indipendenti di grano duro ha rivelato che la resistenza alla ruggine della foglia in entrambe è controllata da un singolo gene dominante situato all'interno dello stesso intervallo di 2,07 Mb sul cromosoma 6BS, dove i geni RGA5 e WAK sono stati identificati come potenziali candidati.
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Il grano è la spina dorsale della sicurezza alimentare globale, che nutre miliardi di persone ogni giorno. Tra le sue molte varietà, il grano duro è il tipo specifico utilizzato per produrre pasta, couscous e semola. Come tutte le colture, esso affronta costanti minacce dalla natura, in particolare dalle malattie fungine che possono devastare i raccolti. Uno dei suoi nemici più persistenti è la ruggine della foglia, un fungo che attacca le foglie, rendendole marroni e assorbendo l'energia della pianta. Se lasciata incontrollata, questa malattia può distruggere più della metà del potenziale rendimento di un raccolto. Per decenni, agricoltori e scienziati si sono affidati alla selezione di varietà di grano che portano geni di resistenza naturale per combattere. Tuttavia, il fungo è astuto; evolve rapidamente, sviluppando nuovi ceppi in grado di aggirare le difese delle vecchie varietà di grano. Questa costante corsa agli armamenti significa che gli scienziati devono continuare a cercare nuove fonti di resistenza nel mondo selvatico e nelle antiche varietà locali per restare un passo avanti alla malattia.
In uno studio recente, i ricercatori hanno rivolto la loro attenzione a due specifiche accessioni di grano, note come PI 244061 e PI 209274. Queste non sono varietà moderne da supermercato, ma veri tesori genetici: una è una varietà locale dello Yemen, l'altra è una linea di breeding dall'Australia. Entrambe avevano mostrato una straordinaria capacità di resistere alla ruggine della foglia in test precedenti. L'obiettivo era trovare l'esatta posizione dei geni responsabili di questa resistenza all'interno del loro DNA e capire come funzionano. Incrociando queste piante resistenti con quelle suscettibili e studiando la loro prole, il team mirava a individuare le istruzioni genetiche che permettono al grano di sopravvivere all'attacco fungino.
I ricercatori hanno iniziato coltivando migliaia di semenzine di grano in un ambiente controllato di serra. Hanno incrociato i genitori resistenti con quelli suscettibili per creare famiglie ibride, poi hanno inoculato le giovani piante con un ceppo specifico e aggressivo di ruggine della foglia. Mentre le piante crescevano, gli scienziati osservavano attentamente per vedere quali resistessero all'infezione e quali soccambbero. I risultati erano chiari: la resistenza in entrambe le accessioni originali era controllata da un singolo gene dominante. Ciò significava che se una pianta ereditava anche solo una copia di questo gene dal genitore, sarebbe protetta. Il team ha poi utilizzato una potente tecnica chiamata sequenziamento dell'RNA di bulking segregante (bulked segregant RNA sequencing). Hanno preso le foglie delle piante più resistenti e quelle delle piante più suscettibili, mescolandole in due gruppi separati, e hanno analizzato il loro materiale genetico. Confrontando le differenze genetiche tra i "sopravvissuti" e le "vittime", sono riusciti a restringere il campo nella ricerca del gene di resistenza.
L'analisi ha indicato una posizione molto specifica sul cromosoma 6BS, un segmento distinto del genoma del grano. In entrambi il landrace yemenita e la linea di breeding australiana, il gene di resistenza è stato trovato nella stessa area generale alla fine di questo cromosoma. Per essere assolutamente certi, il team ha sviluppato nuovi marcatori genetici, che agiscono come segnali molecolari, per tracciare il gene attraverso le generazioni. Hanno testato centinaia di singole piante e hanno scoperto che la resistenza era strettamente legata a una minuscola regione di DNA lunga appena 2,07 megabasi. Questo è un bersaglio sorprendentemente piccolo nel vasto paesaggio di un genoma del grano. All'interno di questa stretta striscia, i ricercatori hanno cercato geni che potessero essere responsabili della difesa. Hanno trovato diversi candidati, inclusi geni che producono proteine note per riconoscere e combattere i patogeni.
Uno dei candidati più promettenti nella varietà yemenita era un gene che produce una proteina chiamata RGA5, che funge da sensore per rilevare il fungo. Nella linea australiana, le prove indicavano un tipo diverso di gene, uno che produce una chinasi associata alla parete, una proteina che aiuta la pianta a percepire il danno alle proprie pareti cellulari. Curiosamente, sebbene entrambe le linee resistano alla malattia nello stesso punto del cromosoma, i loro codici genetici in quell'area sono leggermente diversi, suggerendo che possano aver evoluto le proprie difese indipendentemente. Lo studio ha anche affrontato un precedente risultato che aveva collocato un gene di resistenza della varietà yemenita in una parte diversa del cromosoma. I nuovi dati ad alta risoluzione hanno confermato che la precedente posizione era errata e che il vero meccanismo di difesa risiede sul cromosoma 6BS.
Questa scoperta fornisce ai selezionatori di grano una mappa precisa e gli strumenti necessari per trasferire questi potenti geni di resistenza nelle moderne varietà di grano duro ad alta resa. Utilizzando i marcatori genetici identificati in questo studio, i selezionatori possono scegliere rapidamente le semenzine che portano la resistenza senza dover aspettare che le piante crescano e affrontino la malattia in campo. Il fatto che due fonti di grano non correlate, separate dalla geografia e dalla storia, portino entrambe un meccanismo di difesa nella stessa piccola regione del loro DNA suggerisce che questa parte del cromosoma sia un naturale "hotspot" per combattere la ruggine della foglia. Sebbene l'identità esatta del gene richieda ancora ulteriori lavori di laboratorio per essere confermata, la strada da seguire è chiara. Questi risultati offrono una solida base per lo sviluppo di nuove varietà di grano in grado di resistere alle minacce in continua evoluzione della ruggine della foglia, aiutando a garantire il futuro di una delle colture più importanti al mondo.
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