Grano Super-Resistente: Svelato il Segreto della Varietà Xingzi 9104 contro la Ruggine Gialla!

Ciao a tutti, appassionati di scienza e agricoltura! Oggi voglio raccontarvi una storia affascinante che arriva direttamente dai campi di grano e dai laboratori di ricerca più avanzati. Parliamo di una sfida enorme per la produzione alimentare mondiale: la ruggine gialla del grano. Immaginate un nemico subdolo, un fungo chiamato Puccinia striiformis f. sp. tritici (Pst per gli amici… o meglio, per i nemici!), che viaggia con il vento e può devastare interi raccolti, mettendo a rischio una fetta importante del nostro cibo. Le perdite possono andare dal 10-20% fino, nei casi peggiori, al 100%! Una vera calamità.

La Ricerca di Supereroi Vegetali

Da anni, noi ricercatori siamo impegnati in una vera e propria caccia al tesoro: trovare e utilizzare i geni di resistenza per creare varietà di grano più forti, capaci di difendersi da questo patogeno. Pensate che ad oggi sono stati catalogati ufficialmente 87 geni di resistenza (chiamati Yr, da *Yellow rust*), ma ne sono stati identificati molti di più, oltre a centinaia di regioni genetiche associate alla resistenza (i cosiddetti QTL, Quantitative Trait Loci).

La resistenza può manifestarsi in due modi principali:

• Resistenza a tutti gli stadi (ASR): Efficace fin da quando la pianta è una piantina, facile da selezionare per i breeder.
• Resistenza della pianta adulta (APR): Si manifesta più tardi, è più difficile da selezionare ma spesso è considerata più duratura nel tempo.

Il problema è che il fungo Pst è un trasformista incredibile, evolve continuamente creando nuove “razze fisiologiche” capaci di superare le resistenze esistenti. Quindi, la ricerca non si ferma mai: dobbiamo continuamente trovare nuove fonti di resistenza e capire come funzionano quelle che già abbiamo.

Xingzi 9104: Una Campionessa di Durata

Ed è qui che entra in gioco la protagonista della nostra storia: la varietà di grano cinese Xingzi 9104 (XZ9104). Questa cultivar è una vera forza della natura! Fin dalla sua introduzione, ha dimostrato una resistenza notevole e duratura alla ruggine gialla in tantissimi ambienti diversi. Ma qual è il suo segreto? Come fa a resistere così bene e così a lungo? Ecco le domande che ci siamo posti.

Per scoprirlo, abbiamo intrapreso un’indagine genetica approfondita. Utilizzando tecniche avanzate come l’analisi dei QTL con chip a SNP (Single Nucleotide Polymorphism) ad alta densità (prima il 90K e poi il 660K!), abbiamo scandagliato il genoma di XZ9104.

Mappatura dei Geni: I Segreti nel DNA

I risultati sono stati entusiasmanti! Abbiamo identificato ben otto QTL sparsi su diversi cromosomi (1BS, 1BL, 2AL, 2BL, 3BS, 4BL, 5BL e 7BL). Tre di questi si sono rivelati particolarmente importanti e stabili in tutti gli ambienti testati:

• QYrxz.nwafu-1BL.6: Localizzato sul braccio lungo del cromosoma 1B. Dopo varie analisi, abbiamo capito che molto probabilmente corrisponde al già noto gene Yr29, famoso per conferire resistenza duratura a diverse malattie.
• QYrxz.nwafu-3BS.7: Sul braccio corto del cromosoma 3B. Anche qui, gli indizi (compresa l’associazione con un tratto chiamato “pseudo-black chaff”) ci hanno portato a identificarlo come il gene Yr30.
• QYrxz.nwafu-2BL.5: Questo QTL, sul braccio lungo del cromosoma 2B, è stato la vera sorpresa! Ha mostrato un effetto enorme sulla resistenza, spiegando da solo tra il 15.75% e il 47.63% della variazione fenotipica osservata. È il pezzo grosso del puzzle della resistenza di XZ9104! Al momento, non corrisponde a geni di resistenza noti in quella posizione, anche se si trova in una regione “calda” per la resistenza. Potrebbe essere un nuovo QTL? Serviranno ulteriori studi per confermarlo, ma è sicuramente un candidato interessantissimo.

Abbiamo anche scoperto che combinare questi QTL insieme (un processo chiamato piramidazione genica) rende la resistenza ancora più forte, quasi come quella della XZ9104 originale. In particolare, la combinazione di Yr29, Yr30 e QYrxz.nwafu-2BL.5 è risultata super efficace.

La Caccia Rapida al Gene ASR: Entra in Scena MutIsoSeq

Ma non è finita qui! Sapevamo che XZ9104 aveva anche una resistenza di tipo ASR, efficace fin dallo stadio di piantina, contro una specifica razza di ruggine (la CYR23). Isolare questi geni ASR con metodi tradizionali può essere lungo e complesso, soprattutto nel grano, che ha un genoma enorme e complicato.

Qui abbiamo usato un approccio innovativo e super veloce: il MutIsoSeq. Cosa abbiamo fatto? Abbiamo creato una popolazione di “mutanti” di XZ9104 trattando i semi con un agente chimico mutageno (l’etilmetansulfonato, EMS). Abbiamo generato oltre 2000 linee mutanti e poi le abbiamo messe alla prova, cercando quelle che avevano perso la resistenza alla razza CYR23, diventando suscettibili. Ne abbiamo trovate cinque!

L’idea geniale del MutIsoSeq è questa: sequenziamo l’RNA (trascrittoma a lunghezza intera, usando la tecnologia PacBio Iso-Seq) della pianta originale resistente (XZ9104) e l’RNA (con sequenziamento a letture brevi) delle piante mutanti suscettibili. Confrontando le sequenze, cerchiamo le differenze – le mutazioni puntiformi indotte dall’EMS – che sono presenti solo nei mutanti suscettibili e che colpiscono lo stesso gene. È come cercare un refuso specifico in diverse copie rovinate dello stesso libro per capire quale parola è stata cambiata!

Il Colpevole è… Yr9!

Ebbene, questo metodo ha funzionato alla grande! In pochissimo tempo, abbiamo identificato un gene candidato che presentava mutazioni diverse in tutti e cinque i mutanti suscettibili. Analizzando questo gene, abbiamo scoperto che codifica per una proteina della famiglia CC-NBS-LRR (NLR), una classe di recettori immunitari intracellulari molto importante nelle piante.

Ulteriori analisi, tra cui:

• Analisi citologica (FISH), che ha confermato la presenza di una traslocazione cromosomica nota come 1RS.1BL (un pezzo del cromosoma della segale inserito nel cromosoma del grano).
• Analisi di associazione genica.
• Profili trascrizionali.
• Esperimenti di silenziamento genico indotto da virus (VIGS), dove “spegnendo” temporaneamente il gene candidato, la pianta diventava suscettibile.

Tutti questi pezzi del puzzle hanno portato a una conclusione inequivocabile: il gene responsabile della resistenza ASR alla razza CYR23 in XZ9104, che avevamo chiamato temporaneamente YrXZ, è in realtà il ben noto gene Yr9! Questo gene si trova proprio sulla traslocazione 1RS.1BL, ampiamente utilizzata nel miglioramento genetico del grano perché porta con sé diversi geni utili (non solo *Yr9*, ma anche geni per la resistenza ad altre malattie e per l’aumento della resa).

È interessante notare che, sebbene *Yr9* sia stato molto efficace in passato, il suo uso estensivo ha portato all’evoluzione di razze di ruggine capaci di superarlo. Tuttavia, grazie ai marcatori molecolari specifici che abbiamo sviluppato, abbiamo scoperto che *Yr9* è ancora presente in molte varietà di grano coltivate nel mondo. Probabilmente, i vantaggi complessivi portati dalla traslocazione 1RS.1BL ne hanno favorito il mantenimento nei programmi di breeding. E anche se da solo potrebbe non essere più così potente contro tutte le razze attuali, la sua combinazione con altri geni, come abbiamo visto in XZ9104, può ancora contribuire a una resistenza robusta.

Strumenti per il Futuro: Marcatori Molecolari per i Breeder

Un risultato fondamentale del nostro lavoro è stato lo sviluppo di marcatori molecolari specifici e facili da usare (come i marcatori KASP) sia per il gene *Yr9* che per il QTL QYrxz.nwafu-2BL.5. Questi marcatori sono come delle etichette genetiche che permettono ai breeder di verificare rapidamente se una pianta possiede i geni di resistenza desiderati, senza dover aspettare che la pianta cresca e venga infettata dal fungo. Questo processo, chiamato selezione assistita da marcatori (MAS), accelera enormemente il processo di creazione di nuove varietà di grano resistenti.

Abbiamo testato il marcatore per QYrxz.nwafu-2BL.5 su un pannello di oltre 300 linee di grano cinesi e abbiamo visto che è effettivamente associato a una minore gravità della malattia, confermando la sua utilità per la MAS.

Conclusioni e Prospettive

Insomma, questa ricerca sulla varietà Xingzi 9104 ci ha permesso di svelare la complessa architettura genetica che sta dietro la sua incredibile resistenza duratura alla ruggine gialla. Abbiamo confermato il ruolo di geni noti come Yr29 e Yr30, identificato un QTL molto potente (QYrxz.nwafu-2BL.5) che merita ulteriori indagini, e clonato rapidamente il gene ASR Yr9 usando l’innovativa tecnica MutIsoSeq.

Questo studio non solo ci aiuta a capire meglio i meccanismi di difesa delle piante, ma fornisce anche strumenti concreti (i marcatori molecolari) per accelerare il miglioramento genetico del grano. La combinazione di diversi geni e QTL, come dimostrato da XZ9104, sembra essere la chiave per ottenere una resistenza davvero duratura contro patogeni in continua evoluzione come la ruggine gialla.

Il prossimo passo? Sicuramente caratterizzare meglio QYrxz.nwafu-2BL.5, magari arrivando a clonarlo, e continuare a esplorare il vasto patrimonio genetico del grano e dei suoi parenti selvatici alla ricerca di nuove armi per difendere i nostri raccolti. La battaglia contro la ruggine gialla continua, ma con strumenti e conoscenze sempre più potenti!

Fonte: Springer