GW2, un gene che influenza le dimensioni dei semi di frumento

Riccardo Pagliarello è tra i vincitori dell'AgroInnovation Award 2018 con la tesi "Effetto della soppressione del gene GW2 sulle rese di frumento duro"

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Il vincitore della categoria 'innovazione varietale e genomica', tesi magistrali

Il frumento rappresenta uno dei cereali più coltivati al mondo (Fig.1).
Ciò è stato possibile grazie alla sua grande capacità di adattarsi a diversi ambienti e alle caratteristiche viscoelastiche conferite dalle proteine del glutine. Il 95% del frumento coltivato a livello mondiale è rappresentato dal frumento tenero (Triticum aestivum ssp. aestivum), utilizzato soprattutto per la produzione di pane e biscotti.
Il rimanente 5% è rappresentato da frumento duro (Triticum turgidum ssp. durum), usato per la produzione di pasta, couscous e pane nel Sud Italia.
 
Coltivazione frumento nel mondo
Fig. 1: Coltivazione di frumento a livello globale
(fonte: © You et al. 2014)

Secondo recenti stime, la popolazione mondiale continuerà a crescere e raggiungerà probabilmente i 9 miliardi di persone entro la metà del secolo corrente. Una delle problematiche più rilevanti potrebbe essere l'incremento della domanda di cibo. L'ottenimento di nuove varietà con un'elevata resa, attraverso il miglioramento genetico, rappresenta una strategia per soddisfare la domanda di cibo dovuta all'aumento della popolazione, ai cambiamenti climatici, alle limitate risorse dei combustibili fossili e all'erosione dei suoli dedicati all'agricoltura.

La grandezza di un seme è una componente agronomica correlata alla resa. L'identificazione dei geni implicati nella regolazione delle dimensioni dei semi è un aspetto importante per il miglioramento del frumento. Caratteri come la lunghezza e larghezza dei semi sono controllati da QTL (quantitative trait loci), ma anche dall'interazione che si instaura tra la pianta e l'ambiente in cui essa vive. Esiste quindi una componente genetica della pianta e una componente ambientale.
Negli ultimi anni, usando specie modello e non, sono stati individuati diversi QTL in grado di influenzare la grandezza della cariosside. Con questo lavoro si è voluto studiare l'effetto dello "spegnimento" del gene GW2 (Grain Weight 2), la cui attività sembra influenzare negativamente le dimensioni dei semi del frumento.

L'approccio usato prevede la creazione di piante transgeniche mediante l'approccio dell'RNAi. Tale tecnica permette di studiare la funzione di un gene semplicemente silenziandolo e osservando il fenotipo che ne deriva. Le linee trasformate sono state caratterizzate da un punto di vista fenotipico e molecolare. L'analisi fenotipica ha riguardato i caratteri correlati alle rese, come la dimensione dei semi (area, perimetro, lunghezza, larghezza), il peso dei semi e la determinazione dell'amido totale. Da un punto di vista molecolare è stata verificata l'assenza dei trascritti GW2.
Inoltre è stato studiato il profilo di espressione di altri geni con ruoli chiave nella biosintesi dell'amido e nel metabolismo delle citochinine e gibberelline.

Dalle analisi molecolari emerge che la linea IM17-33aII mostra la maggiore efficienza di silenziamento del gene GW2. Complessivamente i risultati ottenuti dall'analisi di espressione, condotta sui geni che codificano per alcuni fitormoni e su geni chiave nella sintesi dell'amido, hanno mostrato che il silenziamento del gene GW2 influenza direttamente l'espressione di alcuni di questi geni (CKX1, CKX2, Ga3-Oxe AGPL). Le analisi fenotipiche hanno evidenziato un aumento significativo della larghezza del seme (Fig. 2), mentre l'incremento del peso dei cento semi, del perimetro e della lunghezza dei semi è stato significativo solo nella linea IM17-33aII (Fig. 3).
I risultati sono ancora preliminari e un approccio su larga scala di trascrittomica o proteomica potrà fornire nuove informazioni e aiutare a comprendere meglio la funzione della proteina GW2 in frumento duro.
 
Confronto lunghezza e larghezza
Fig. 2: Confronto della lunghezza e larghezza dei semi tra la linea transgenica IM17-33aII e il controllo (cv Svevo).
(fonte: © Riccardo Pagliarello)

Parametri
Fig. 3: Parametri delle dimensioni del seme misurati con il programma SmartGrain. Le barre indicano l'errore standard e l'asterisco le piante transgeniche che differiscono significativamente (p<0,05) dal controllo.
 (fonte: © Riccardo Pagliarello)

Scarica la tesi completa
Per eventuali contatti: riccardo.pagliarello@yahoo.com

AgroInnovation Award è il premio di laurea istituito da Image Line in collaborazione con l'Accademia dei Georgofili al fine di promuovere la diffusione di approcci innovativi, strumenti digitali e l'utilizzo di internet in agricoltura.

AgroInnovation Award

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