Isolation, characterization and discovery of new alleles of sHsp genes in durum wheat (Triticum durum Desf.)

Gli organismi vegetali mostrano una notevole capacità di adattamento alle condizioni di stress e lo studio delle componenti molecolari alla base dell'adattamento in colture cerealicole di interesse alimentare, come il frumento, è di particolare interesse per lo studio di varietà che consentano una buona produzione con basso input anche in condizioni ambientali non ottimali. L'esposizione delle colture cerealicole a stress termico durante determinate fasi del ciclo vitale influisce negativamente sulla resa e sulla qualità, a questo fine è necessario chiarire le basi genetiche e molecolari della termotolleranza per identificare geni e alleli vantaggiosi da impiegare in programmi di incrocio volti al miglioramento genetico. Numerosi studi dimostrano il coinvolgimento delle sHSP a localizzazione cloroplastica (in frumento sHSP26) nel meccanismo di acquisizione della termotolleranza e la loro interazione con diverse componenti del fotosistema II (PSII) che determinerebbe un’azione protettiva in condizioni di stress termico e altri tipi di stress. Lo scopo del progetto è quello di caratterizzare in frumento duro nuove varianti alleliche correlate alla tolleranza a stress termico mediate l'utilizzo del TILLING (Target Induced Local Lesion In Genome), un approccio di genetica inversa che prevede la mutagenesi e l'identificazione delle mutazioni indotte in siti di interesse. Durante la tesi sono state isolate e caratterizzate 3 sequenze geniche complete per smallHsp26 denominate TdHsp26-A1; TdHsp26-A2; TdHsp26-B1 e un putativo pseudogene denominato TdHsp26-A3. I geni isolati sono stati usati come target in analisi di TILLING in due popolazioni di frumento duro mutagenizzate con EMS (EtilMetanoSulfonato). Nel nostro studio sono stati impiegati due differenti approcci di TILLING: un approccio di TILLING classico mediante screening con High Resolution Melting (HRM) e un approccio innovativo che sfrutta un database di TILLING recentemente sviluppato. La popolazione di mutanti cv. Kronos è stata analizzata per la presenza di mutazioni in tutti e tre i geni individuati mediante ricerca online nel database di TILLING, il quale sfrutta la tecnica dell’exome capture sulla popolazione di TILLING seguito da sequenziamento ad alta processività. Attraverso questa tecnica sono state individuate, nella popolazione mutagenizzata di frumento duro cv. Kronos, 36 linee recanti mutazioni missenso. Contemporaneamente lo screening con HRM, effettuato su 960 genotipi della libreria di TILLING di frumento duro cv. Cham1 ha consentito di individuare mutazioni in una regione di 211bp di interesse funzionale del gene TdHsp26-B1, tra le quali 3 linee mutanti recanti mutazioni missenso in omozigosi. Alcune mutazioni missenso individuate sui due geni TdHsp26-A1 e TdHsp26-B1 sono state confermate in vivo nelle piante delle rispettive linee mutanti generando marcatori codominanti KASP (Kompetitive Allele Specific PCR) con cui è stato possibile verificare anche il grado di zigosità di tali mutazioni. Al fine di ridurre il numero di mutazioni non desiderate nelle linee risultate più interessanti, è stato eseguito il re-incrocio dei mutanti con i relativi parentali wild type ed inoltre sono stati generati alcuni doppi mutanti che consentiranno di comprendere meglio i meccanismi molecolari presieduti da questa classe genica. Gli individui F1 degli incroci sono stati poi genotipizzati con i medesimi marcatori KASP specifici per la mutazione di interesse per verificare la buona riuscita dell’incrocio. Questo approccio ha permesso di individuare ed implementare risorse genetiche utili ad intraprendere studi funzionali relativi al ruolo di smallHSP plastidiche implicate nella acquisizione di termotolleranza in frumento duro e di generare marcatori potenzialmente utili in futuri programmi di breeding.

Italian wild hop (Humulus lupulus L.): from biodiversity evaluation to varietal selection

Hop (Humulus lupulus L.) is a dioecius perennial plant. The cultivation is specific for female plants, used mainly for brewing and pharmacology. Female inflorescence, known as cone or strobili, contains bitter acids, essential oil and polyphenols. Commercial hop cultivation provides better results in regions between 45 and 55 degrees north or south in latitude, an area that also includes the northern part of Italy, where hop is endemic. Despite several studies have been conducted on the characterization of wild hops biodiversity in the U.S.A. and Europe, a lack in literature concerning the description of Italian wild hops genetic variability is still present. The increasing request of hop varieties improved in important traits, like diseases, resistance and valuable aroma profile, is bringing the hop industry. Moreover, Italian agricultural sector needs new impulse to be competitive in the market. In this view, Italian wild hop biodiversity is a resource, useful for the obtaining of Italian hop varieties, characterized by peculiar aromatic traits and more adaptable to Mediterranean climate, making their cultivation more sustainable. Based on this consideration, the present Ph.D. thesis deals with the evaluation of the Italian hop biodiversity, through the characterization of the wild samples under different point of view. The project started with the recovery of wild hop samples in different areas of north of Italy to consitue a collection field, where 11 commercial cultivars of US and European origin were grown, to have a complete vision of the hop panorama. Ph.D. project followed different research lines, the results of each one contributed to completly characterize the northern Italian hop wild biodiversity: • the morphological description showed a high phenological variability (Study 1); • the genetic characterization confirmed the rich biodiversity of the Italian population and showed a significant genetic distance between Italian genotypes and the commercial cultivars, taken in consideration (Study 2); • the need of an early sex discrimination method leads to an improvement of a genetic marker, developing a more efficient marker (Study 3); • a complete morphologic, genetic and chemical analysis of plants gave results to select the most promising genotypes (Study 4); • the comparison between the performance of wild hops and commercial cultivars in the same collection field indicated that some wild genotypes had a higher environment adaptability (Study 5); • the evaluation of the terroir, obtained comparing commercial cultivars in the collection field and the same genotypes purchased in the market, showed the influence of the northern Italian environment on the aromatic profile (Study 5); • a new analytical method for the revelation of bioactive metabolites and a simple extraction procedure were developed (Study 6). In conclusion, the Ph.D. thesis, contains the first characterization of Italian wild hop, made under field condition. The present study: i) permits to obtain a complete and significative description of the genotypes; ii) allows the identification of the most promising wild Italian genotypes; iii) allows the identification of commercial cultivars more adaptable the northern Italian climate.