Plant genetic resources play a critical role in global food security and economic development. Among the various types of genetic resources, landraces or local varieties, given their thousands of years of evolutionary history and adaptation to marginal areas under various stress conditions, are an ideal source of genes or genetic variants for genetic improvement. Landraces are cultivated plant populations that evolved within subsistence agricultural societies because of artificial selection pressures mediated by human migration, seed exchange, and natural selection. In areas where agriculture has seen significant technological development, landraces since the 1950s have been replaced by modern cultivars and hybrids, with high yields and superior traits, but poorly adapted to marginal environments and high input needs. With the establishment of the cultivation of modern varieties and the subsequent replacement of landraces, we have witnessed a dramatic reduction in the genetic diversity of major crops. The loss of genetic diversity, which consists of loss of individual genes or combinations of genes, is called genetic erosion. Conservation of genetic resources is the main strategy to counter this phenomenon. Conservation of landraces and other types of endangered genetic resources can be achieved in two main ways: in situ and ex situ. In situ conservation involves the preservation of ecosystems and natural habitats to ensure the maintenance of viable populations in their native range, in the case of domesticated species in the area where they have developed their characteristics. In contrast, ex situ conservation involves conserving genetic resources outside their original habitat, in most cases within germplasm banks. The main use of genetic resources is in breeding. In this thesis paper, three case studies are presented concerning the use of genetic material from landraces in plant breeding to obtain abiotic stress tolerant varieties. The first case study describes the steps that led to obtaining submergence-tolerant rice varieties, starting from the screenings that identified highly tolerant local varieties to the use of the marker assisted backcrossing (MAB) technique to transfer the QTL most responsible for tolerance to highly productive commercial varieties. The second case study concerns the use of landraces adapted to arid climates to improve water stress tolerance in maize. A study evaluating improved populations obtained by backcrossing, using 12 landraces from Ghana as donor parental and a commercial variety as recurrent, is reported. A study aimed at identifying chromosomal regions involved in water stress tolerance of tolerant landraces through genome wide association study (GWAS) is also presented. In the third case study F2 populations obtained by crossing Afghan durum wheat salt stress-tolerant landraces and a commercial variety are evaluated. A Bulk Segregant Analysis (BSA) is also performed on the F2 populations to identify the genetic basis of salt stress tolerance. The case studies presented highlight the importance of landraces in plant breeding and their conservation, proving how this type of genetic material could be a key resource for the development of abiotic stress-tolerant varieties.
Le risorse genetiche vegetali rivestono un ruolo fondamentale per la sicurezza alimentare e lo sviluppo economico globale. Tra i vari tipi di risorse genetiche le landrace o varietà locali, data la loro storia evolutiva millenaria e l’adattamento ad areali marginali in condizioni di stress di varia natura, sono un’ideale fonte di geni o varianti genetiche per il miglioramento genetico. Le landrace sono popolazioni di piante coltivate che si sono evolute all’interno di società agricole di sussistenza come risultato di pressioni dovute alla selezione artificiale, mediate dalle migrazioni umane, dallo scambio di semi e dalla selezione naturale. Nelle zone in cui l’agricoltura ha visto un forte sviluppo tecnologico le landrace a partire dagli anni ’50, sono state sostituite da cultivar moderne e ibridi, con rese elevate e caratteristiche superiori, ma scarsamente adattate ad ambienti marginali e con elevate necessita di input. Con l’affermarsi della coltivazione delle varietà moderne e la conseguente sostituzione delle landrace abbiamo assistito ad una forte riduzione della diversità genetica delle maggiori colture. La perdita di diversità genetica, che consiste in perdita di singoli geni o di particolari combinazioni di geni, viene definita erosione genetica. La conservazione delle risorse genetiche è il principale metodo per contrastare questo fenomeno. La conservazione delle landrace e di altri tipi di risorse genetiche a rischio può essere effettuata con due principali modalità: in situ ed ex situ. La conservazione in situ consiste nella conservazione degli ecosistemi e degli habitat naturali per garantire il mantenimento di popolazioni vitali nel loro areale d’origine, nel caso di specie domesticate nella zona dove hanno sviluppato le loro caratteristiche. La conservazione ex situ prevede invece che le risorse genetiche vengano conservate al di fuori del loro habitat originario, nella maggior parte dei casi all’interno di banche del germoplasma. L’utilizzo principale delle risorse genetiche è nell’ambito del breeding. Nel presente elaborato di tesi vengono presentati tre casi studio che riguardano l’utilizzo di materiale genetico proveniente da landrace nel miglioramento genetico vegetale per l’ottenimento di varietà tolleranti a stress abiotici. Il primo caso studio descrive le tappe che hanno portato all’ottenimento di varietà di riso tolleranti alla sommersione, partendo dagli screening che hanno permesso di individuare varietà locali altamente tolleranti fino all’utilizzo della tecnica MAB (marker assisted backcrossing) per trasferire il QTL maggiormente responsabile della tolleranza a varietà commerciali altamente produttive. Il secondo caso studio riguarda l’utilizzo di landrace adattate ai climi aridi per migliorare la tolleranza allo stress idrico in mais. Viene riportato uno studio che valuta popolazioni migliorate ottenute tramite reincrocio, utilizzando 12 landrace provenienti dal Ghana come parentali donatori e una varietà commerciale come ricorrente. Viene inoltre presentato uno studio volto a individuare le regioni cromosomiche coinvolte nella tolleranza allo stress idrico di alcune landrace tolleranti attraverso approccio GWAS (genome wide association study). Nel terzo caso studio vengono invece valutate popolazioni F2 ottenute dall’incrocio di landrace afghane di frumento duro tolleranti allo stress salino e una varietà commerciale. Sulle popolazioni F2 viene inoltre effettuata una Bulk Segregant Analysis (BSA) per individuare le basi genetiche della tolleranza allo stress salino. I casi studio presentati evidenziano l’importanza delle landrace nel miglioramento genetico e della loro conservazione, dimostrando come questo tipo di materiale genetico possa essere una risorsa fondamentale per lo sviluppo di varietà tolleranti agli stress abiotici.
Conservazione ed utilizzo delle risorse genetiche nel miglioramento genetico vegetale
CAIRE, LORENZO
2023/2024
Abstract
Le risorse genetiche vegetali rivestono un ruolo fondamentale per la sicurezza alimentare e lo sviluppo economico globale. Tra i vari tipi di risorse genetiche le landrace o varietà locali, data la loro storia evolutiva millenaria e l’adattamento ad areali marginali in condizioni di stress di varia natura, sono un’ideale fonte di geni o varianti genetiche per il miglioramento genetico. Le landrace sono popolazioni di piante coltivate che si sono evolute all’interno di società agricole di sussistenza come risultato di pressioni dovute alla selezione artificiale, mediate dalle migrazioni umane, dallo scambio di semi e dalla selezione naturale. Nelle zone in cui l’agricoltura ha visto un forte sviluppo tecnologico le landrace a partire dagli anni ’50, sono state sostituite da cultivar moderne e ibridi, con rese elevate e caratteristiche superiori, ma scarsamente adattate ad ambienti marginali e con elevate necessita di input. Con l’affermarsi della coltivazione delle varietà moderne e la conseguente sostituzione delle landrace abbiamo assistito ad una forte riduzione della diversità genetica delle maggiori colture. La perdita di diversità genetica, che consiste in perdita di singoli geni o di particolari combinazioni di geni, viene definita erosione genetica. La conservazione delle risorse genetiche è il principale metodo per contrastare questo fenomeno. La conservazione delle landrace e di altri tipi di risorse genetiche a rischio può essere effettuata con due principali modalità: in situ ed ex situ. La conservazione in situ consiste nella conservazione degli ecosistemi e degli habitat naturali per garantire il mantenimento di popolazioni vitali nel loro areale d’origine, nel caso di specie domesticate nella zona dove hanno sviluppato le loro caratteristiche. La conservazione ex situ prevede invece che le risorse genetiche vengano conservate al di fuori del loro habitat originario, nella maggior parte dei casi all’interno di banche del germoplasma. L’utilizzo principale delle risorse genetiche è nell’ambito del breeding. Nel presente elaborato di tesi vengono presentati tre casi studio che riguardano l’utilizzo di materiale genetico proveniente da landrace nel miglioramento genetico vegetale per l’ottenimento di varietà tolleranti a stress abiotici. Il primo caso studio descrive le tappe che hanno portato all’ottenimento di varietà di riso tolleranti alla sommersione, partendo dagli screening che hanno permesso di individuare varietà locali altamente tolleranti fino all’utilizzo della tecnica MAB (marker assisted backcrossing) per trasferire il QTL maggiormente responsabile della tolleranza a varietà commerciali altamente produttive. Il secondo caso studio riguarda l’utilizzo di landrace adattate ai climi aridi per migliorare la tolleranza allo stress idrico in mais. Viene riportato uno studio che valuta popolazioni migliorate ottenute tramite reincrocio, utilizzando 12 landrace provenienti dal Ghana come parentali donatori e una varietà commerciale come ricorrente. Viene inoltre presentato uno studio volto a individuare le regioni cromosomiche coinvolte nella tolleranza allo stress idrico di alcune landrace tolleranti attraverso approccio GWAS (genome wide association study). Nel terzo caso studio vengono invece valutate popolazioni F2 ottenute dall’incrocio di landrace afghane di frumento duro tolleranti allo stress salino e una varietà commerciale. Sulle popolazioni F2 viene inoltre effettuata una Bulk Segregant Analysis (BSA) per individuare le basi genetiche della tolleranza allo stress salino. I casi studio presentati evidenziano l’importanza delle landrace nel miglioramento genetico e della loro conservazione, dimostrando come questo tipo di materiale genetico possa essere una risorsa fondamentale per lo sviluppo di varietà tolleranti agli stress abiotici.| File | Dimensione | Formato | |
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