Volume: la patata

Sezione: ricerca

Capitolo: genetica della patata

Autori: Patricio Malagamba, Julio Kalazich

Introduzione

La storia della genetica della patata è iniziata circa 100 anni fa quando R. Salaman applicò alla patata le leggi di Mendel, appena scoperte, allo scopo di sviluppare varietà di patata resistenti a Phytophthora infestans. Soltanto 80 anni dopo, la genetica della patata conobbe un significativo progresso e fu sviluppata la prima mappa molecolare dai ricercatori della Cornell University, mentre in soli 20 anni la sequenza completa del genoma della patata è stata svelata grazie al lavoro di ricercatori appartenenti a 14 Paesi (tra cui Italia e Cile) e coordinato dalla Agricultural University di Wageningen, nei Paesi Bassi. Un altro progresso importante della ricerca è stato lo sviluppo di marcatori molecolari che hanno facilitato il lavoro dei miglioratori nello sfruttare la grande diversità esistente tre le specie di patata. Tale variabilità si manifesta nella forma del tubero, nel colore della buccia e della polpa e nella varietà di prodotti che è possibile ottenere. Nei paragrafi successivi saranno esposti gli aspetti principali della genetica della patata.

Citogenetica della patata

Citologia di base

È noto che la patata coltivata (Solanum tuberosum) possiede un numero di cromosomi di base (aploide) pari a 12 (n=x=12). Esiste un’intera serie di livelli di ploidia nelle specie di Solanum con 2n=2x, 3x, 4x, 5x e 6x, rispettivamente con 24, 36, 48, 60 e 72 cromosomi somatici. La patata coltivata è tetraploide con 48 cromosomi (2n=4x=48). Il raddoppiamento dei cromosomi somatici e la poliploidizzazione sessuale sono i due principali meccanismi che sono stati proposti per spiegare in che modo si sono evolute le specie poliploidi. La maggior parte dei dati sperimentali fa ritenere che la poliploidizzazione sessuale abbia avuto il ruolo principale nella formazione delle serie poliploidi e nell’evoluzione sia delle specie selvatiche sia di quelle coltivate. Infatti, la capacità della maggior parte delle specie diploidi di produrre gameti con corredo cromosomico somatico (gameti 2n) ha facilitato gli incroci interspecifici e la formazione dei poliploidi. Esistono due tipi di poliploidi, gli autopoliploidi e gli allopoliploidi; con maggiore precisione possono essere denominati rispettivamente poliploidi disomici e poliploidi polisomici. Gli autopoliploidi sono quelli che possiedono più di due set di cromosomi omologhi della stessa specie, mentre gli allopoliploidi sono quelli che ricevono i loro cromosomi da specie differenti, e quindi per ogni cromosoma esistono solo due copie. Vi sono state controversie sulla natura autotetraploide o allotetraploide della patata coltivata. Vi sono prove del fatto che S. tuberosum tetraploide si è evoluto a seguito di incroci tra specie diploidi selvatiche e coltivate del complesso brevicaule, seguiti da raddoppiamento cromosomico attraverso la poliploidizzazione sessuale. Pertanto, la patata coltivata è un allopoliploide, o meglio un poliploide segmentale (a causa delle somiglianze tra i genomi). Tuttavia, dal momento che normalmente si osserva appaiamento meiotico tra le sue quattro serie di cromosomi, ai fini pratici la patata coltivata è considerata un autotetraploide con appaiamenti a multivalenti. Le conseguenze genetiche della tetraploidia saranno descritte successivamente in questo capitolo.

Caratteristiche del genoma

Ogni organismo possiede un genoma o un “manuale delle istruzioni” biochimico, al quale talvolta ci si riferisce come a una “mappa” che descrive in che modo tutti i geni sono disposti insieme. Si tratta di una sequenza di DNA e ciascun gene al suo interno controlla differenti aspetti della crescita e dello sviluppo dell’organismo. Lievi mutamenti di questa “mappa” danno origine a differenti varietà. I primi tentativi di identificare i cromosomi comprendevano l’uso della colorazione con coloranti che si legavano al DNA, come l’aceto-carminio. I recenti sviluppi delle tecniche di ibridazione in situ (FISH, Fluorescence In Situ Hybridization) e le tecnologie che fanno uso di cromosomi batterici artificiali (BAC, Bacterial Artificial Chromosome) hanno fornito nuove opportunità per studiare il genoma della patata, rendendo possibile l’identificazione dei cromosomi e l’analisi della struttura del genoma e favorendo così un progresso significativo della citogenetica. Questi studi hanno permesso l’integrazione delle mappe genetiche e citologiche, individuando le zone introgresse con maggiore precisione e fornendo nuove informazioni sulla struttura del genoma. Mediante queste nuove tecnologie BAC-FISH sono stati misurati i cromosomi della patata ed è stato scoperto che il cromosoma 1 è il più grande (100-115 Mb) e il cromosoma 11 il più piccolo (49-53 Mb), mentre il rapporto mega-paia di basi rispetto ai micrometri è stato stimato in valori di 1,07 Mb/μm per l’eucromatina e di 3,67 Mb/μm per l’eterocromatina. Il genoma della patata comprende circa 840 milioni di paia di basi e si ritiene che possa codificare più di 40.000 geni. La prima mappa genetica molecolare della patata è stata elaborata nel 1988 dai ricercatori della Cornell University, Stati Uniti, mediante i marcatori RFLP (Restriction Fragment Length Polymorphism), utilizzando marcatori di pomodoro in posizione nota sulla mappa molecolare del pomodoro. Da quando la prima mappa molecolare è stata costruita ne sono comparse molte altre; tra esse una mappa a elevata saturazione con 10.000 marcatori AFLP (Amplified Fragment Length Polymorphism) (2006), che rappresenta la mappa di ricombinazione meiotica più densa mai costruita. Finora sono stati mappati molti geni utili per la resistenza alle malattie e agli insetti, tra cui 39 geni R e 65 loci di resistenza quantitativa (QRL, Quantitative Resistance Loci). Alcuni di essi sono riportati nella tabella in basso insieme a importanti geni che controllano il colore della buccia e al gene D, necessario per l’accumulo tessutospecifico di antocianine nella buccia del tubero.

Ibridazione sessuale interspecifica

Se non esistono barriere sessuali, come per esempio quelle dovute a differenze in EBN, le specie selvatiche possono incrociarsi tra loro con relativa facilità. Come già esposto, queste specie presentano un intero range di livelli di ploidia. Il 74% delle specie è diploide, per cui se si tenta di incrociare una qualsiasi di esse con un tetraploide (4x), normalmente non vengono prodotti semi a causa di un fenomeno noto come “blocco del triploide”. Stan Peloquin della Wisconsin State University negli anni Settanta del secolo scorso ha scoperto che la maggior parte delle specie diploidi è capace di produrre gameti 2n, che permettono la produzione di semi mediante incroci 4x-2x (oppure 2x-4x), con notevoli vantaggi per l’introgressione di geni utili dalle specie selvatiche alla patata coltivata.

Meccanismi di formazione di gameti 2n. I gameti 2n si formano in seguito a mutazioni meiotiche che geneticamente sono riconducibili a due meccanismi principali. Uno è equivalente a una restituzione del nucleo in prima divisione meiotica (FDR) e il secondo a una restituzione del nucleo in seconda divisione meiotica (SDR). Nel caso della FDR, la prima divisione meiotica è anomala mentre la seconda è normale, per cui, alla fine della meiosi, si formano due spore 2n. Nel caso della SDR la prima divisione è normale e la seconda, invece, non si verifica correttamente formando una diade di due spore 2n. Le conseguenze genetiche di questi due tipi di anomalie meiotiche sono molto diverse. Nel caso della FDR, i gameti 2n trasmetteranno in media l’80-83% dell’eterozigosi del progenitore 2x (tipo selvatico) alla progenie ibrida 4x in quanto le interrelazioni intra- e interlocus con le loro azioni geniche additive e non additive (epistasi) vengono trasferite in gran parte intatte alla progenie. D’altra parte, la SDR trasmette soltanto il 40% dell’eterozigosi a causa del fatto che tutti i loci eterozigoti tra il centromero e il primo chiasma sono omozigoti e quelli tra il primo e il secondo chiasma sono eterozigoti.

Aploidi. Peloquin et al. hanno osservato che dopo incroci 4x-2x, particolarmente quelli in cui erano utilizzati genotipi diploidi di S. phureja, venivano prodotte piante con un numero di cromosomi somatici pari a 24 anziché 48. Esse assomigliavano al progenitore S. tuberosum 4x e si sono dimostrate essere aploidi di S. tuberosum (sporofiti con il numero di cromosomi gametofitico) prodotti tramite partenogenesi. Questa osservazione ha portato alla metodica della produzione di migliaia di aploidi da diversi genotipi tetraploidi. Gli aploidi della patata coltivata tetraploide forniscono uno strumento per il miglioramento genetico. Essi mettono a disposizione anche un’opportunità unica per l’analisi genetica dei caratteri poligenici. Una popolazione di aploidi da un singolo clone tetraploide altamente eterozigote rappresenta un pool casuale di gameti femminili. Inoltre, la variabilità genetica nascosta nei poliploidi può essere rivelata nelle popolazioni di aploidi e questi possono esprimere tratti che non erano presenti nei progenitori. Sono state utilizzate popolazioni aploidi per caratterizzare la base genetica di molti caratteri tra cui la resa totale, il peso del tubero, la maturità della pianta, la dormienza del tubero, il contenuto di sostanza secca e i livelli di glucosio dei tuberi.

Poliploidizzazione sessuale. L’introduzione di nuove combinazioni genetiche da specie selvatiche-coltivate a livello diploide utilizzando aploidi è molto efficace in quanto evita le complicazioni dell’ereditarietà tetraploide. Tuttavia, il livello diploide non è il migliore per lo sviluppo di cultivar. Per raggiungere la massima eterozigosi e la massima resa è necessario sfruttare le interazioni inter- e intralocus (rispettivamente epistasia e dominanza) create a livello tetraploide. Pertanto, quando vengono prodotti aploidi di varietà 4x è necessario successivamente ritornare al livello tetraploide. Esistono tre possibili meccanismi per ottenere questo: uno è l’uso di sostanze chimiche (quella più usata è la colchicina), il secondo consiste in tecniche di coltura in vitro di tessuti e il terzo fa uso della poliploidizzazione sessuale con gameti 2n, che può essere poliploidizzazione unilaterale o bilaterale. La poliploidizzazione unilaterale si ha quando un progenitore diploide che produce gameti 2n (potrebbe essere una specie diploide selvatica-coltivata o un ibrido diploide) viene incrociato con un progenitore già tetraploide, secondo uno schema 4x-2x o 2x-4x che, in entrambi i casi, produce una progenie 4x. Nella maggior parte dei casi non si formano triploidi da questi incroci in seguito al blocco del triploide che deriva da uno sbilanciamento genomico nell’endosperma. La poliploidizzazione bilaterale si verifica quando entrambi i progenitori producono gameti 2n in un incrocio 2x-2x che produce una progenie 4x. Le evidenze attualmente note dimostrano che la patata coltivata S. tuberosum tetraploide si è evoluta in questo modo, attraverso una serie di incroci tra progenitori selvatici e coltivati e la successiva formazione della specie 4x attraverso gameti 2n. I metodi di poliploidizzazione sessuale hanno permesso lo sviluppo di diversi schemi per la selezione.

Fertilità e sterilità

La fertilità dei gameti è un componente molto importante nel miglioramento genetico in quanto se un incrocio fornisce semi vitali si crea variabilità e la selezione clonale può andare avanti. Tuttavia, i miglioratori incontrano spesso problemi con la fertilità dei gameti, dal momento che molte varietà sono sterili (soprattutto a causa della sterilità del polline). Ciò ostacola l’introgressione di combinazioni genetiche utili nel corso dei programmi di miglioramento genetico. In generale, in base all’esperienza dei miglioratori, si ritiene che almeno un terzo delle varietà non produrrà frutti con semi. La maggior parte delle specie vegetali, tra cui S. tuberosum, è in grado di fiorire abbondantemente e le specie adattate a giorno corto fioriscono in modo più abbondante quando crescono in condizioni longidiurne. La capacità di fiorire ha un controllo genetico influenzato dall’ambiente. Nei climi temperati molte varietà hanno una scarsa fioritura e i miglioratori hanno sviluppato metodi per aumentarla. Uno di questi consiste nel piantare i tuberi seme su mattonelle (normalmente in una serra), esponendo la parte della pianta in cui crescono gli stoloni in modo tale che la luce ostacoli la formazione del tubero e ne sia facile la rimozione. Un altro metodo consiste nel legare lo stelo; questa pratica si è dimostrata in grado di ritardare la traslocazione delle sostanze assimilate verso il basso nei tuberi stimolando, in tal modo, l’antesi invarietà con scarsa fioritura. Ciò è dovuto all’accumulo di sostanze assimilate nella parte alta della pianta, fenomeno necessario per la formazione del fiore. Tuttavia, anche se possono fiorire, alcune specie non si incrociano a causa di barriere di incompatibilità. Un caso importante è l’autoincompatibilità che si osserva nella maggior parte delle specie diploidi di Solanum; essa è controllata da un singolo locus S con molti alleli (S1, S2, S3 ecc.). Questo tipo di incompatibilità ha permesso il mantenimento di elevati livelli di eterozigosi nelle specie diploidi che ora possono essere utilizzate nel miglioramento genetico della patata coltivata. L’autoincompatibilità può essere superata anche mediante raddoppiamento cromosomico, ma essa verrà ristabilita se si estraggono aploidi da tetraploidi. Un altro sistema che impedisce l’incrocio è la sterilità citoplasmatica maschile (CMS, Cytoplasmic male sterility), causata da interazioni tra geni citoplasmatici e nucleari. La CMS è stata riportata in alcune specie di Solanum e in ibridi interspecifici. La sterilità si manifesta nella progenie di un incrocio a seconda della direzione di quell’incrocio. Per esempio, negli incroci tra S. tuberosum x S. andigena, utilizzando quest’ultima come genitore maschile, la maggior parte della progenie è composta da maschiosterili. Tuttavia, quando andigena è usata come genitore femminile (incrocio reciproco) la progenie è completamente fertile. Lo stesso fenomeno è stato osservato in incroci tra aploidi di queste due specie. La CMS è stata osservata anche in altre specie come S. acaule, S. demissum, S. verrucosum e S. stoloniferum. S. stoloniferum è stato usato con successo come fonte di resistenza a PVY in incroci con aploidi di S. tuberosum. La CMS è dovuta alla presenza di un gene citoplasmatico di sterilità maschile. Il ripristino della fertilità è possibile grazie a un gene ristoratore (Rf) che è stato individuato in aploidi di S. tuberosum cileni. Esso permette la produzione di progenie maschile fertile anche in presenza di un impollinatore contenente il gene della sterilità maschile. Nei derivati di Neotuberosum (S. andigena adattata a giorno lungo attraverso cicli di selezione ricorrenti ripetuti), è stato osservato un aumento della fertilità maschile negli ibridi Neotuberosum x tuberosum, quando i cicli di selezione ricorrenti avanzavano raggiungendo il massimo di fertilità al 5° ciclo. Una barriera molto diffusa è, infine, quella legata a differenze in EBN tra genitori.

Natura tetraploide della patata e sue conseguenze genetiche

La patata tetraploide coltivata presenta un’ereditarietà tetraploide più complessa dell’ereditarietà disomica. Per esempio, in una situazione con un locus e due alleli, per esempio A e a, in un diploide sono possibili soltanto tre genotipi: AA, Aa e aa. Al contrario, con ereditarietà tetraploide tetrasomica sono possibili cinque genotipi: AAAA (denominato quadruplex), AAAa (triplex), AAaa (duplex), Aaaa (simplex) e aaaa (nulliplex). Di conseguenza, in un diploide, la segregazione si può verificare soltanto in seguito ad appaiamento in Aa, mentre in un tetraploide si può verificare in seguito ad appaiamento di tre genotipi AAAa, AAaa e Aaaa. Se un individuo eterozigote per un locus è autofecondato, la probabilità di ottenere recessivi omozigoti è pari a 1/4 nei diploidi ma a 1/36 nei tetraploidi duplex. Una situazione ancora più complessa si verifica quando tutti e quattro i cromosomi omologhi sono associati a quadrivalente. Cromatidi fratelli possono quindi finire nello stesso gamete, un fenomeno noto come doppia riduzione, la cui probabilità α è chiamata coefficiente di doppia riduzione: esso indica la probabilità che due cromatidi fratelli finiscano nello stesso gamete.

Eterosi

In accordo con la teoria dell’eterosi, le interazioni intra- e interlocus sono molto importanti per la determinazione della produzione. In un tetraploide vi è un massimo di quattro possibili alleli per locus (per esempio A1, A2, A3, A4) per cui possono esistere 11 interazioni per locus tetrasomico. Al contrario, in un diploide vi sono solo due alleli, per cui è possibile una sola interazione per locus. Il livello tetrasomico può potenzialmente garantire una maggiore produzione rispetto al livello disomico in quanto ciascun locus può avere una maggiore diversità genetica, e quindi un livello di eterosi più alto. La dimostrazione di tutto ciò si osserva quando un fenotipo tetraploide altamente eterozigote è autofecondato. È stato determinato che nella prima generazione di autofecondazione la resa è dell’83% rispetto alla F1, ma in S6 è solo il 19% della F1. Questa è una diretta conseguenza della perdita di interazioni intra- e interlocus dovuta all’autofecondazione, e anche all’accumulo di alleli recessivi deleteri per caratteri quali vigore e fertilità. D’altra parte, si osserva l’inverso quando si usa germoplasma distante geneticamente. Ciò è particolarmente evidente negli incroci 2x-2x che utilizzano gameti 2n FDR, in cui si ottiene la massima eterozigosità e quindi anche il massimo vigore e la massima resa.


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