Il miglioramento genetico per caratteri qualitativi è un processo attraverso il quale le piante coltivate vengono selezionate per caratteristiche di interesse diverse dalla resa (presenza di composti nutrizionali, resistenza a una malattia), sfruttando la variabilità genetica degli individui presenti in una popolazione. A questo scopo si possono applicare metodi di miglioramento genetico tradizionale oppure applicazioni di biologia molecolare, quali mappatura di QTL e selezione assistita da marcatori. Uno degli esempi dell’utilizzo delle tecniche genetiche, portato avanti negli anni da diversi autori, è la biofortificazione del mais per il contenuto di pro-vitamina A.
Il miglioramento genetico delle piante coltivate (plant breeding), basato sull’esplorazione e sull’utilizzo delle risorse genetiche e sulla ricerca genetica e genomica avanzata, è una componente insostituibile dell’agricoltura moderna, che richiede lo sviluppo di varietà più produttive e qualitativamente più ricche. In particolare il miglioramento genetico per caratteri qualitativi mira a costituire varietà superiori dal punto di vista nutrizionale e della salubrità delle produzioni con ricadute dirette sulla salute umana e sulla sostenibilità ambientale.
Il miglioramento genetico per caratteri qualitativi ha inizio con la scelta del carattere di interesse. Questa scelta è basata sia sull’osservazione delle piante in campo, allo scopo di evidenziare aspetti morfologici legati alla qualità, che sull’analisi dei prodotti, volta a verificare la presenza di composti di interesse. Per quanto riguarda i componenti della cariosside dei cereali, per esempio, diversi aspetti possono diventare target del miglioramento genetico, a partire dai macronutrienti. Si tratta di proteine, carboidrati e lipidi, che costituiscono la base del valore nutrizionale della cariosside e dei prodotti derivati. Diversi esempi sono legati al miglioramento di questi caratteri: come il miglioramento delle proteine associate alla qualità tecnologica di pane e pasta in frumento, l’aumento di proteine contenenti aminoacidi essenziali in mais o il carattere amilose extender in riso. Un altro esempio riguarda i geni Pina e Pinb, codificanti per le proteine associate ai granuli d’amido in frumento (puroindoline) e il gene Ha che, determinando la tessitura dell’endosperma, controlla importanti caratteristiche tecnologiche. Essi sono stati mappati e l’utilizzo dei relativi marcatori ha consentito l’introgressione da Triticum monococcum a frumento tenero di alleli utili, consentendo un miglioramento della qualità della granella (Bonafede et al., 2007). Un altro target per il miglioramento genetico sono i micronutrienti, tra cui vitamine, antiossidanti e minerali, rivalutati negli ultimi anni per il valore aggiunto che danno all’alimento. Infatti il consumo di cibi ricchi in questi composti può essere utile nella prevenzione di diverse malattie.
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In qualche caso, il carattere di interesse è legato a un singolo gene, come per le mutazioni waxy e amylose extender legate al contenuto di amilosio e amilopectina in mais, che riguardano un singolo gene. In altri casi, come per alcune vitamine o antiossidanti, la regolazione della produzione di una molecola dipende da un intero pathway di geni; non è sufficiente quindi una singola mutazione o un singolo polimorfismo per ottenere un accumulo della molecola di interesse.
Approcci genetici (MAS, marcatori e QTL)
Le biotecnologie offrono metodi basati sull’uso dei marcatori molecolari per lo studio della variabilità genetica a livello di singole piante, accessioni, popolazioni e specie, oltre che per il monitoraggio della diversità genetica nel tempo e nello spazio. I marcatori molecolari hanno la capacità di evidenziare polimorfismi nella sequenza nucleotidica, consentendo la discriminazione di alleli diversi ad uno stesso locus. Non sono influenzati da fattori ambientali e sono potenzialmente utili per diversi scopi: il fingerprinting dei genotipi, lo studio delle relazioni filogenetiche e delle distanze genetiche, la costruzione di mappe genetiche e fisiche per la localizzazione di geni e di loci per caratteri quantitativi (QTL) responsabili dell’espressione di caratteri d’interesse.
Un QTL (dall'inglese Quantitative Trait Locus) è una regione di DNA associata ad un particolare carattere quantitativo. Il QTL è strettamente associato ad un gene che determina un carattere fenotipico o partecipa nella sua determinazione. Normalmente un carattere quantitativo è determinato dalla somma dell'azione di più geni (additività). Di conseguenza, a un singolo carattere possono essere associati più QTL, presenti anche su diversi cromosomi. “Mappare” uno o più QTL significa associare un tratto genetico quantitativo a uno o più marcatori genetici e, se è nota la posizione del marcatore sulla mappa genetica, si può localizzare QTL in una specifica regione del genoma Il mappaggio dei QTL richiede: 1) una appropriata popolazione di mappa (popolazione sperimentale segregante per uno o più caratteri di interesse); 2) la fenotipizzazione della popolazione per il carattere di interesse (caratteri morfologici, caratteri agronomici, resistenza a malattie, resistenza alla siccità, ecc.) in condizioni controllate e/o in campo; 3) la genotipizzazione della popolazione attraverso l’uso di marcatori molecolari in numero adeguato per ricoprire l’intero genoma ed in modo tale da essere uniformemente distanziati in ciascun cromosoma; 4) l’identificazione dei marcatori associati a QTL per il carattere di interesse; 5) la convalida e la verifica dell’applicabilità e dell'affidabilità dei QTL mappati per applicazioni pratiche nel miglioramento genetico. Con questa tecnica si può operare la selezione di certi genotipi che presenteranno un fenotipo desiderabile basandosi semplicemente su un'analisi molecolare precoce con pochi marcatori molecolari, senza dover aspettare che il tratto fenotipico si manifesti.
L’applicazione della creazione di mappe genetiche e della mappatura di QTL viene chiamata MAS (Marker Assisted Selection) e consente un significativo aumento della rapidità ed efficacia di programmi di breeding. Il successo di un programma di MAS dipende però dalla natura del carattere oggetto di miglioramento. Mentre infatti il trasferimento di caratteri monogenici, cioè associati ad un unico gene, è relativamente semplice, la MAS per caratteri complessi è più difficoltosa, in ragione dei costi, del numero di geni coinvolti e della loro bassa ereditabilità, dell’interazione genotipo x ambiente e gene x gene.
Biofortificazione del mais per la pro-vitamina A
L’utilizzo delle moderne tecniche di biologia molecolare ha permesso di studiare la complessa via biosintetica dei carotenoidi in mais. Questo cereale infatti, utilizzato da numerose popolazioni del Sud del mondo come fonte di sostentamento, spesso si rivela povero di precursori della vitamina A, un composto di fondamentale importanza per l’organismo, la cui carenza può portare a diversi problemi anche molto gravi (ritardo nella crescita, difetti alla vista, abbassamento delle difese immunitarie, maggior rischio di infezioni, fino alla mortalità infantile).
In mais la caratterizzazione del pathway biosintetico dei carotenoidi (Figura 1) è stata facilitata dall’analisi di mutanti associati a un basso livello di carotenoidi.
figura 1 - Pathway biosintetico dei carotenoidi nelle piante
Pathway biosintetico dei carotenoidi nelle piante
Da: Harjes et al, 2008
Non meno importante del miglioramento genetico per produzione, è il miglioramento genetico per caratteri qualitativi. La continua ricerca di piante più adatte per l’alimentazione e per le trasformazioni tecnologiche o di piante resistenti agli stress (biotici e abiotici) è uno degli obiettivi del miglioramento genetico moderno. Due sono le strade percorse dalla ricerca: da una parte lo sviluppo di alimenti sempre più ricchi di composti bioattivi, richiesti in particolare dai consumatori dei paesi ricchi, composti utili per fronteggiare l’insorgenza delle malattie (obesità, diabete, tumori), per ritardare i processi di invecchiamento o comunque con effetti benefici sull’organismo; dall’altra parte il tentativo di arricchire il valore nutrizionale degli alimenti che stanno alla base dell’alimentazione delle popolazioni del Terzo Mondo, in particolare i cereali, per poter garantire l’apporto di nutrienti necessario per la vita.
Bonafede M., Kong L., Tranquilli G., Ohm H., Dubcovsky J. Reduction of a Triticum monococcum chromosome segment carrying the softness genes Pina and Pinb translocated to bread wheat. 2007. Crop Science, 47: 819-826.
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