Cold1: IL GENE RESPONSABILE DELLA TOLLERANZA AL FREDDO IN RISO (Oryza sativa L.)

Rice is one of the most important crops in the world and one of the cereal most employed in the food sector. Its primary center of origin is Asia. Rice's phylogeny has been strongly influenced by the domestication process applied by man. From the alimentary point of view the two most important types of rice are Oryza glaberrima, an African species, and Oryza sativa, an Asian species. The latter is the rice species most used in the world. Oryza sativa consists in two major subspecies: indica, typical of tropical regions including India and Southeast Asia, and japonica, suited to temperate areas of the Far East and Europe. In Italy the most cultivated rice is Oryza sativa subsp. japonica. Rice is an excellent model system for studying climate adaptation since it offers a rich genetic heritage result from the domestication in different climatic conditions. The study conducted by Ma and colleagues (2015), reported in my thesis, analyzes the gene cold1 present in the QTL (quantitative trait loci) COLD1 (Chilling tolerance Divergence 1). The cold1 gene is one of 11 genes localized in QTL COLD1 and it shows a mutation on the fifteenth nucleotide of the fourth exon, called SNP2. Especially rice plants showing chilling tolerance (subsp. japonica and wild populations of Oryza rufigupon) have an adenine (SNP2(A)) instead of a thymine or a cytosine (SNP2(T-C)) present in the indica subspecies. This SNP2 causes a change in the encoded aminoacid: a Lysine 187 instead of Methionine 187 or Tryptophan 187. SNP2(A) is associated with the development of chilling tolerance in cultivated rice and represents an ancient allele preserved in the Chinese populations of O. rufipogon and selected during domestication of japonica rice. Gene cold1 is predicted to encode a 53-kDa protein COLD1, that is located in plasma membrane and endoplasmic reticulum. It is composed by nine transmembrane domains, with an extracellular N terminus and an intracellular C terminus that interacts with rice G-protein α subunit 1 (RGA1). G proteins are involved in hydrolytic activity of GTP to GDP. COLD1 and RGA1 complex is required for the chilling tolerance, in particularly the protein COLD1jap, isolated in japonica subspecies, accelerates RGA1 GTPase activity, unlike COLD1ind, present in the indica subspecies, that slows down the speed of the biological mechanism. Moreover, in the presence of RGA1, COLD1jap improves cations Ca2 + influx in contrast of the protein COLD1ind. There is a correlation between decreasing temperature and cytosolic Ca2+ accumulation, this increase occurs mostly in the japonica rice plants that encode for the protein COLD1jap. Due to the fact that the rice is one of the major crops in food sector, this study is important to understand the genes' activity in order to improve the genetic bases for the chilling tolerance. These knowledge will allow the expansion of this species into northern areas with lower temperatures.

Il riso è una delle più importanti colture a livello mondiale, in quanto risulta uno dei cereali più impiegati dal punto di vista alimentare. Il suo centro di origine primaria è l'Asia. Il processo di domesticazione messo in atto dall'uomo è stato rilevante per la filogenesi del riso. Le due forme coltivate più importanti dal punto di vista alimentare sono l'Oryza glaberrima, specie africana, e l'Oryza sativa, originaria dell'Asia. Quest'ultima è la specie risicola più diffusa e utilizzata al mondo. A causa di un successivo processo di domesticazione, l'Oryza sativa si differenzia nelle due subspecie indica, tipica delle zone tropicali fra cui l'India e il sud-est asiatico, e japonica adatta ai climi temperati delle zone dell'estremo oriente e dell'Europa. Il riso rappresenta un ottimo sistema modello per lo studio dell'adattamento climatico in quanto tale pianta offre un ricco patrimonio genetico risultato dalla domesticazione in condizioni climatiche contrastanti. Lo studio di Ma e colleghi (2015), riportato nella mia tesi, ha consentito di studiare il gene cold1 situato nel QTL COLD1 (Chilling tolerance Divergence 1). Il gene cold1, uno degli 11 geni presenti nel QTL COLD1, ha una mutazione, chiamata SNP2, sul quindicesimo nucleotide del quarto esone. In particolare nelle specie tolleranti al freddo (subsp. japonica e popolazioni selvatiche di Oryza rufigupon) è presente un'adenina (SNP2(A)) mentre nella subspecie indica è presente una timina o una citosina (SNP2(T-C)). Questa variazione causa una modificazione nella traduzione dell'amminoacido: viene codificata una Lisina 187 nelle specie resistenti alle basse temperature e una Metionina 187 o un Triptofano 187 nelle piante di riso sensibili al clima rigido. Inoltre è stata rintracciata l'origine della SNP2(A) del gene cold1 in un antico allele conservato nelle popolazioni cinesi di O. rufigupon e che successivamente è stato selezionato durante il processo di domesticazione del riso subspecie japonica. Il gene cold1 codifica per una proteina di 53-kDa, detta COLD1. Essa è composta da nove domini transmembrana con un'estremità extracellulare N-terminale e una intracellulare C-terminale, ed è situata nella membrana plasmatica e nel reticolo endoplasmatico. La proteina COLD1 interagisce con la subunità α1 della proteina G di riso (RGA1) tramite la sua estremità intracellulare C-terminale. Le proteine G sono coinvolte nell'idrolisi di GTP in GDP. Mediante l'impiego del saggio sull'attività GTPasica è stato dimostrato che la proteina COLD1jap, isolata nella subspecie japonica, accelera la reazione idrolitica di GTP svolta da RGA1, a differenza di COLD1ind, situata nella subspecie indica, che rallenta la velocità del meccanismo biologico. Inoltre mediante l'analisi elettrofisiologica si è potuto rilevare che COLD1jap influenza maggiormente il flusso dei cationi Ca2+ in presenza di RGA1, rispetto alla proteina COLD1ind. Oltre a ciò, esiste una correlazione fra l'abbassamento delle temperature e l'accumulo citosolico di ioni Ca2+, questo incremento si verifica maggiormente nelle piante di riso della subspecie japonica che codificano per la proteina COLD1jap. Essendo il riso una delle colture più diffuse in ambito alimentare, i risultati dello studio presentato sono importanti per capire l'attività di questi geni al fine del miglioramento genetico.