Comprensione della biologia riproduttiva degli agrumi per il miglioramento genetico attraverso l’utilizzo di diversi approcci metodologici

Autore : Redazione
Pubblicato il : 16-06-2021

Gli agrumi presentano una complessa genetica e biologia riproduttiva che rendono il miglioramento genetico attraverso le strategie convenzionali lungo e complesso.

Di Stefania Maria Bennici vincitrice del premio Stanca 2021.
L’articolo sintetizza i risultati della tesi di dottorato in Agricultural, Food and Environmental Science, Dipartimento di Agricoltura, Alimentazione e Ambiente, Università degli Studi di Catania dal titolo “Citrus reproductive biology: physiological and genetic aspects of sterility, seedlessness and fruiting”.

Abstract
La fioritura è uno dei momenti più importanti durante il ciclo vitale di una pianta in quanto legato al successo riproduttivo e alla produzione di frutti. Gli agrumi presentano una complessa genetica e biologia riproduttiva che rendono il miglioramento genetico attraverso le strategie convenzionali lungo e complesso. L’utilizzo di diverse metodologie che includono approcci genetici, istologici e biotecnologici permette di comprendere meglio la biologia riproduttiva degli agrumi contribuendo a fornire nuove informazioni da sfruttare nella pianificazione di programmi di miglioramento genetico in agrumi.

Gli agrumi
Gli agrumi sono tra le più diffuse e importanti colture da frutto nel mondo sia in termini di produzione che di area coltivata caratterizzando fortemente i territori dell’area del Mediterraneo che contribuiscono al 7% della produzione mondiale. Le principali specie coltivate sono l’arancio dolce e i mandarini (con il 50% e il 22% della produzione mondiale, rispettivamente) destinati al consumo fresco e alla trasformazione. Gli agrumi sono altamente apprezzati per la qualità dei loro frutti, soprattutto per le loro proprietà organolettiche e il loro valore nutritivo come l’alto contenuto in antiossidanti e vitamine. Per rispondere alla crescente domanda di frutti di ‘alta qualità’ gli obiettivi del miglioramento genetico sono mirati sia alla chioma che al portainnesto: incremento della qualità dei frutti (apirenia, colore e spessore della buccia, pezzatura, epoca di maturazione, rapporto zuccheri/acidi, contenuto di componenti benefici), resistenza post-raccolta, resistenza a fattori di stress biotici e abiotici. Tuttavia, le convenzionali tecniche di miglioramento genetico in agrumi come l’ibridazione sono ostacolate dalle peculiarità della genetica e biologia riproduttiva di questa importante coltura.

Le convenzionali tecniche di miglioramento genetico in agrumi come l’ibridazione sono ostacolate dalle peculiarità della genetica e biologia riproduttiva di questa importante coltura

La biologia riproduttiva degli agrumi
Gli agrumi presentano una complessa genetica e biologia riproduttiva che include: apomissia, partenocarpia, auto- e inter-incompatibilità, sterilità del polline e/o dell’ovaio. Inoltre, gli agrumi sono caratterizzati da un elevato livello di eterozigosi e una lunga fase giovanile (5-10 anni) che rendono la costituzione e la valutazione di nuovi ibridi lunga e complessa. La fioritura rappresenta la transizione dalla fase vegetativa a quella riproduttiva e rappresenta una delle fasi più critiche durante il ciclo vitale della pianta. Essa è regolata da una complessa coordinazione di fattori ambientali ed endogeni (fotoperiodo, vernalizzazione, temperatura ambientale, apporto idrico, stato nutrizionale, metabolismo ormonale, carico dei frutti) che influenzano la fertilità dei gameti, la produzione dei frutti e la durata della fase giovanile. In generale, nei climi subtropicali gli agrumi fioriscono in primavera dopo un periodo di quiescenza e l’esposizione alle corte giornate e alle basse temperature invernali, che inducono l’espressione dei geni della fioritura. Tra questi, il gene Flowering Locus T (FT) è uno dei principali geni coinvolti nella regolazione della fioritura e nel controllo della fase giovanile. Esso si esprime nelle foglie codificando una proteina che attraverso il floema raggiunge l’apice meristematico dove induce lo sviluppo dei fiori e di conseguenza dei frutti. In generale, la produzione dei frutti è legata al successo della impollinazione e della fecondazione, contrariamente, nelle specie partenocarpiche l’assenza della fertilizzazione, dovuta a sterilità maschile e/o femminile o l’auto-incompatibilità (come in alcune varietà di arancio dolce e mandarino) comporta la produzione di frutti apireni, carattere di qualità altamente apprezzato. Tuttavia, in condizioni di impollinazione incrociata la presenza di polline compatibile e/o fertile può determinare la presenza di semi nei frutti riducendone la qualità. Le strategie utilizzate per evitare tale inconveniente (utilizzo di reti, trattamenti chimici per l’induzione della sterilità, manipolazione del livello di ploidia, irraggiamento) risultano lunghe e complesse rendendo necessario approfondire le conoscenze della biologia riproduttiva degli agrumi.

Strategie per l’analisi della biologia riproduttiva degli agrumi
Nonostante le limitazioni imposte dalla genetica e dalla biologia degli agrumi, lo sviluppo di marcatori molecolari, la disponibilità di sequenze di genomi di riferimento di alcune importanti specie come arancio dolce e mandarino clementine e gli avanzati approcci biotecnologici permettono di ampliare le conoscenze di questa importante coltura e accelerare gli studi di caratterizzazione e miglioramento varietale.
I risultati della ricerca hanno messo in luce gli effetti di fattori ambientali e genetici che regolano la biologia riproduttiva in agrumi combinando diversi approcci metodologici.
È noto che il portainnesto controlla molti aspetti del vigore vegetativo e della resa in frutti nella chioma, tuttavia i suoi effetti sull’induzione antogena nella chioma sono scarsamente investigati.
Le analisi di trascrittomica condotte su arancio dolce hanno evidenziato che il portainnesto è implicato nella regolazione dell’espressione dei geni della fioritura FT nella chioma durante l’induzione antogena nella stagione invernale influenzando così l’intensità della fioritura nella primavera successiva e di conseguenza la produzione. Questo aspetto è di particolare interesse per molte colture, comprese le specie di agrumi, che vengono regolarmente innestate in quanto la scelta del portainnesto influenza notevolmente i tratti di interesse economico come l’architettura della pianta, la resa, la qualità dei frutti e la tolleranza agli stress biotici e abiotici. Inoltre, la necessità di impiego di portinnesti tolleranti al virus della tristezza degli agrumi (CTV) richiede una valutazione capace di selezionare nuovi genotipi in grado di adattarsi a differenti condizioni ambientali e conferire al frutto caratteristiche qualitative ottimali.Tra i fattori che influenzano la fioritura e lo sviluppo dei gameti, la temperatura sembra essere il fattore più determinante soprattutto alla luce dei cambiamenti climatici attualmente in atto caratterizzati da fluttuazioni estreme al di fuori dei valori termici ottimali. Il mandarino clementine è una delle varietà più importanti sia da un punto vita economico che scientifico in quanto considerato una pianta modello.
Analisi istologiche e test in vitro hanno analizzato gli effetti degli stress termici durante lo sviluppo del polline in mandarino clementine. I risultati hanno evidenziato come questi, in particolare l’esposizione ad alte temperature durante il periodo di fioritura, inducono alterazioni morfologiche nei tessuti delle antere tali da alterare il metabolismo dei carboidrati nei granuli pollinici riducendone la germinabilità.
I risultati, oltre a mostrare gli effetti degli stress termici sulla vitalità del polline, identificano i tessuti e i processi fisiologici alla base della sterilità maschile che possono essere sfruttati per guidare la selezione di geni candidati associati alla sterilità/apirenia.
L’apirenia è sicuramente uno dei caratteri di qualità maggiormente apprezzati dai consumatori. La comparazione di dati di sequenziamento della varietà apirena di mandarino ‘Tango’ con il genoma di riferimento del clementine ha permesso di selezionare alcuni geni candidati associati alla sterilità. Uno dei problemi negli studi di caratterizzazione genica funzionale in agrumi è la lunga fase giovanile. I nuovi approcci biotecnologici e transgenici sono stati sviluppati per superare i problemi legati alle strategie di breeding tradizionale riducendo la fase giovanile attraverso la manipolazione dei geni legati alla fioritura. Al fine di caratterizzare uno dei geni candidati associati alla sterilità sono state costituite delle piante transgeniche di agrumi che combinano il silenziamento del gene candidato con la sovra-espressione del gene FT permettendo di ridurre la fase giovanile e velocizzare la fase di caratterizzazione dimostrando come questo rappresenti un valido approccio per gli studi di caratterizzazione genica funzionale su agrumi.

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La ricerca è stata finanziata dal Ministero dell’Istruzione dell’Università e della Ricerca—Progetto PRIN “Investigating Self-Incompatibility DEterminants in fruit trees (ISIDE)” Prot.2015BPM9H3.

Tag: agrumi, miglioramento genetico