Gene transfer from wild species to wheat by chromosome engineering: potential and problems of this strategy

Dottorato di ricerca in Biotecnologie vegetaliIl trasferimento di geni utili da diverse specie di Triticeae ai frumenti coltivati è oggi un approccio di miglioramento di grande potenzialità, soprattutto attraverso strategie di ingegneria cromosomica ad elevata precisione attualmente realizzabili. Per ingegneria cromosomica si intende quel complesso di metodologie citogenetiche atte ad ingegnerizzare il genoma di frumento con segmenti cromosomici provenienti da altre specie di Triticeae recanti geni estranei di interesse. Queste si possono oggi avvalere dei recenti sviluppi della “marker technology” e della genomica, che forniscono strumenti molto efficaci per lo sviluppo di mappe genetiche e la selezione assistita, nonché tecniche di ibridazione in situ per definire la localizzazione fisica e l’estensione del segmento estraneo trasferito. Le relazioni di ampia sintenia e colinearità esistenti tra i genomi delle Triticeae e l’uso di sistemi genetici per promuovere la ricombinazione tra cromosomi omeologhi, consentono di ottenere in genere prodotti ben compensati. Certamente minimizzando l’entità della cromatina associata al gene target si riduce la probabilità di co-trasferimento di gene negativi (linkage drag). E' così possibile un’efficiente caratterizzazione dei prodotti ricombinanti e quindi la selezione dei segmenti estranei più brevi. L’applicazione dell’ingegneria cromosomica “ad elevata precisione” ha già permesso di ottenere linee ricombinanti frumento duro- Th. ponticum (Triticina selvatica da cui sono stati “attinti” diversi geni di interesse), ciascuna contenente sul cromosoma 7AL di frumento duro diverse quantità di cromatina estranea provenienti dal braccio 7AgL di Th. ponticum. Il mio progetto è consistito in uno studio della valutazione dell’impatto dell’ingegneria cromosomica applicata al particolare caso di uno di questi ricombinanti, l’R23-1, il cui cromosoma 7AL-7AgL contiene Lr19 (gene di resistenza alla ruggine bruna), Yp (in grado di incrementare il contenuto di pigmenti carotenoidi nell’endosperma) e da recenti studi, anche un QTL per la produttività (Yld-QTL) e nella produzione di un nuovo ricombinante contenente i tre geni target ben tollerato dal genoma della specie ricevente. Poiché tale linea appariva soffrire di una ridotta trasmissibilità nella linea germinale maschile e tale aspetto poteva limitare le applicazioni nel breeding, sono state condotte su di essa indagini per accertare l’impatto di tale cromosoma a livello gametico e sporofitico. In effetti, da analisi condotte su cromosomi di frumento tenero recanti diverse porzioni di 7AgL, è emersa un’anomala capacità di trasmissione (soprattutto attraverso il polline) per alcuni di essi, ascrivibile ad un gene del Th. ponticum denominato Sd1 (Segregation distortion), localizzato in posizione prossimale rispetto all’Lr19 e Yp.Transfer of the useful genes from alien Triticeae species to cultivated wheats is nowadays a breeding approach of great potential, mainly if currently feasible fine strategies of “smart” chromosome engineering are applied. The term of “chromosome enigeering” implies complex cytogenetic methodologies that enable to engineer the wheat genome with alien chromosome segments carrying target alien gene(s). These can nowadays benefit from the recent developments of marker technology and genomics, which provide highly effective tools to develop highresolution genetic maps and apply marker-assisted selection, as well as in situ hybridization techniques, to define the physical localization and length of the transferred segment. Relationships of synteny and colinearity largely characterizing Triticeae genomes, as well as use of genetic systems of promotion of recombination between homoeologous Triticeae chromosomes, allow attainment of usually well compensated products. An expected, by reducing the amount of alien chromatin associated to the target gene(s), the probability of co-trasfer of unwanted genes (linkage drag), particularly if the donor species belongs to the wild genepool, is minimized. A very efficient characterization of recombinant products is thus feasible, hence selection of those carrying the target genes associated to the shortest possible segments. Such a “smart” (or “precision”) chromosome engineering as been successfully and originally applied to produce durum wheat-Th. ponticum recombinant lines (a perennial wild Triticeae species). Such recombinant lines differ for the size of 7AgL portion transferred onto the durum 7AL. The aims of this project were the evaluation of the impact of chromosome engineering on a 7AL/7AgL recombinant line, named R23-1, carrying Lr19 (a highly effective resistance gene to leaf rust), Yp (able to increase endosperm and semolina carotenoid pigment content) and a potential yield QTL (Yld-QTL) and the production of a 7AL/7AgL chromosome containing three target genes, well tolerated by the recipient genome. Such recombinant line appears to suffer from a reduced transmission through the male germiline. Analyses carried out on these lines to verify their impact at gametic and sporophytic levels. Similar evidence was previously reported in studies of common wheat recombinant chromosomes harbouring different amount of 7AgL, in which the defect was ascribed to a Th. ponticum gene named Sd1 (Segregation distortion), located proximally with respect to Lr19 and Yp