Validazione di marcatori molecolari per lo sviluppo di un programma di Marker Assisted Selection in frumento duro (Triticum turgidum L. subsp. durum (Desf) Husn.)

Dottorato di ricerca in Biotecnologie vegetaliRecognizing the enormous potential of DNA markers in plant breeding, many agricultural research centers and plant breeding institutes have adopted the capacity for marker development and marker-assisted selection (MAS). DNA markers have enormous potential to improve the efficiency and precision of conventional plant breeding via marker-assisted selection. Progress has been made in mapping and tagging many agriculturally important genes with molecular markers which forms the foundation for MAS in crop plants. Molecular markers have several advantages over the traditional phenotypic markers that were previously available to plant breeders. They offer great scope for improving the efficiency of conventional plant breeding by carrying out selection not directly on the trait of interest but on molecular markers linked to that trait. This, of course, would require a molecular marker to be tightly linked to the trait of interest. Besides, these markers are not environmentally regulated and are, therefore, unaffected by the conditions in which the plants are grown and are detectable in all stages of plant growth. The use of marker-assisted selection for improving complex traits is one of the challenges facing wheat breeders. Wheat is one of the major food crops utilised worldwide. Modern cultivars of bread wheat (Triticum L. subsp. aestivum) and durum wheat (Triticum turgidum L. subsp. durum (Desf) Husn.) are the result of extensive selection by breeders to meet the agronomic and quality requirements of the diverse environments under which they are cultivated and the wide range of products for which they are utilised. In the Italian context, pasta is the worldwide appreciated end product made from durum wheat and improvement of end use quality in durum wheat is very essential. In the efforts on durum wheat improvement, we focused on developing new Italian varieties with improved diseases resistance and grain quality traits that affects the final product. Here, we present a practical validation of the use of MAS for durum wheat breeding, producing gene-pyramided lines via assembling markers linked to interesting agronomic traits as quality traits (lipoxygenase activity. protein content, yellow pigment content) and main disease host and non-host resistances (leaf rust, powdery mildew and soil borne cereal mosaic virus and systemic acquired resistance) from multiple donor lines into a genetic background of Italian durum cultivars.Riconoscendo il potenziale di un programma di miglioramento genetico (breeding) basato sull’applicazione dell’analisi del DNA (marcatori molecolari), molti centri e istituti di ricerca si sono impegnati e si impegnano nell’attività di ricerca volta all’ottenimento di strumenti innovativi da applicare nell’attività di miglioramento genetico. E’ iniziato così un approccio di ricerca che prevede l’applicazione dell’analisi del DNA (marcatori molecolari) per la selezione, con lo scopo di ottenere materiali innovativi attraverso programmi di selezione assistita da marcatori (MAS, Marker Assisted Selection). I marcatori molecolari hanno un’enorme potenzialità nel migliorare l'efficienza e la precisione del miglioramento genetico convenzionale attraverso la MAS. Sono stati compiuti progressi nella mappatura e identificazione di molti geni di interesse agronomico per i quali i marcatori molecolari identificati come associati, costituiscono il requisito fondamentale per sviluppare un programma di breeding assistito. I marcatori molecolari costituiscono lo strumento ideale per un’identificazione varietale attendibile e costante nel tempo grazie ai numerosi vantaggi. L’utilità dei marcatori molecolari nel miglioramento genetico è basata essenzialmente sulla presenza di associazione fra marcatore e geni di interesse; tali associazioni permettono di seguire la segregazione del gene in questione saggiando la presenza del marcatore. Inoltre, sono indipendenti da fattori ambientali e dalle diverse fasi fenologiche della pianta. La possibilità di applicare la MAS per migliorare caratteri bio-agronomici è una delle sfide che devono affrontare i breeders in una specie come il frumento. Il frumento è la coltura più estesamente coltivata nel mondo e di elevatissimo interesse alimentare. Varietà moderne di frumento tenero (Triticum L. subsp. aestivum) e frumento duro (Triticum turgidum L. subsp. durum (Desf) Husn.) rappresentano il risultato di una ampia attività di breeding svolta per soddisfare le caratteristiche agronomiche e qualitative riscontrate negli ambienti interessati dalla coltivazione e l'ampia gamma di prodotti per i quali esse vengono utilizzate. Il frumento duro è una specie di elevatissimo interesse per l’Italia, soprattutto considerando i vertici mondiali per la produzione e il consumo di pasta che occupa il nostro Paese, diventando quindi essenziale la capacità di migliorare la qualità del prodotto finale. Nell’intento di avviare un programma di breeding per i principali caratteri agronomici del frumento duro, ci siamo concentrati sulla possibilità di sviluppare nuove varietà italiane con una migliore resistenza a malattie e migliori caratteristiche qualitative della granella che incidano sulle proprietà del prodotto finale. In questo studio presentiamo una valida applicazione dell'uso della MAS per il miglioramento genetico del frumento duro, attraverso la validazione e l’introgressione, partendo da linee donatrici multiple, di marcatori associati a caratteri di interesse agronomico come la qualità (attività lipossigenasica, contenuto proteico e accumulo di micronutrienti, contenuto di carotenoidi) e le principali resistenze a malattie ospite e non ospite specifiche (ruggine bruna, oidio, virus del mosaico dei cereali, resistenza sistemica acquisita), in un background genetico di cultivar italiane di frumento duro, secondo uno schema di genepyramiding