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FRUMENTO

MIGLIORAMENTO GENETICO

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Incremento delle rese del frumento tenero e del

frumento duro in Italia nel periodo 1949-1999.

0

1

2

3

4

5

6

1945 1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000

ANNI

RE

SE

t/h

a F. tenero + 0,06 t/ha/anno

F. duro + 0,04 t/ha/anno

F. tenero

F. duro

3

4

5

Lo scopo del miglioramento genetico è quello di

riunire in un unico genotipo le caratteristiche atte

a massimizzare le rese nelle condizioni

ambientali in cui esso sarà coltivato,

assicurando un compromesso tra il

mantenimento delle caratteristiche che

assicurano una buona adattabilità e

l’estrinsecazione massima dei caratteri legati alla

produttività

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La biodiversità è essenziale per assicurare l’adattamento delle specie al progressivo mutamento delle condizioni di vita: la perdita di biodiversità rappresenta quindi una minaccia per la sopravvivenza delle specie.

Lo sviluppo dell’agricoltura, con la progressiva selezione delle sole piante di maggiore interesse produttivo, ha portato ad una riduzione della variabilità genetica. Esempio Frumento tenero in Italia Varietà iscritte al Registro n° 144 Varietà certificate e commercializzate n° 105 Varietà largamente coltivate n° 18 (nel loro complesso occupano il 90% della

superficie italiana a frumento tenero)

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SELEZIONE

• Selezione: favorire, nella riproduzione, gli individui con particolari caratteristiche utili

• La selezione è efficace solo quando esistono differenze ereditarie

• Per molto tempo l’uomo ha fatto selezione, inconsciamente, per migliorare le piante coltivate

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• La variabilità genetica presente in una popolazione naturale o in una popolazione differenziatasi sotto l’azione dell’ambiente e dell’uomo (ecotipo o landrace) trae origine dai cambiamenti ereditari che in natura avvengono in percentuale modesta ed in modo imprevedibile, oltre che da ibridazioni naturali e successive ricombinazioni.

• Selezione massale

• Selezione per linea pura

Selezione entro popolazioni locali

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MIGLIORAMENTO GENETICO

IN ITALIA SU BASI SCIENTIFICHE 1900

STRAMPELLI

INCROCIO E SELEZIONE SELEZIONE DA POPOLAZIONE

AKAGOMUGHI x RIETI x WILHELMINA TARWE

ARDITO - VILLA GLORI - MENTANA DAMIANO CHIESA - S. PASTORE

INALLETTABILE 96

(BATTAGLIA DEL GRANO)

TODARO

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Variante: valutazione della

progenie della pianta, prima

della riunione in massa.

Maggiore elasticità della

varietà al variare delle

condizioni colturali ed

ambientali

•Selezione massale: per formare la nuova varietà si riuniscono le progenie di molte linee tra loro simili

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• Selezione per linea pura: la nuova varietà

viene fondata sulla progenie di una singola linea

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Senatore Cappelli

• Da selezione per linea pura eseguita da N. Strampelli nel frumento nord africano Jenah Rhetifah

• Molto diffuso in tutta Italia ed in coltura per molti anni

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Rieti Wilhelmina Tarwe (NL)

(resistenza (produttività)

alla ruggine) ( )

× Akagomughi (JPN)

(grande precocità,

bassa taglia)

Linea produttiva e resistente

alla ruggine, ma tardiva

Linee resistenti all’allettamento e alla ruggine,

con alta fertilità della spiga e precoci:

Ardito, Mentana, Villa Glori, Damiano Chiesa, S.

Pastore…

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“…bred in 1929…

was grown in Italy

and in many countries

for more than 35

years.”

S. PASTORE

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Incroci Scopo: combinare in un’unica varietà i geni favorevoli

presenti in due o più differenti genotipi.

Creazione della

variabilità

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Metodo Pedigree

(Selezione

genealogica)

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Popolazione riunita

•Durata della fase popolazione

riunita:

- fino a quando una stagione

favorevole non consenta una

selezione efficiente per

caratteri importanti

- in F6, F8 normalmente si

raggiunge la completa

omozigosi

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Single Seed Descent

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OBIETTIVI DEL MIGLIORAMENTO GENETICO Incremento delle rese

- nuova architettura della pianta ed in particolare della spiga.

- (sfruttamento dell’eterosi (ibridi F1)).

• Incremento della stabilità produttiva - resistenza alle avversità biotiche (malattie della radice, della

foglia, della spiga e del seme). - resistenza alle avversità abiotiche (alte temperature, freddo

invernale, gelate tardive, siccità, allettamento, etc.).

• Miglioramento dell’utilizzo dell’azoto

• Miglioramento della qualità tecnologica, anche in funzione delle nuove tecnologie di trasformazione

• Miglioramento della qualità nutrizionale, compresa la riduzione delle intolleranze alimentari

• Nuovi prodotti alimentari (alimenti funzionali)

• Nuove utilizzazioni non alimentari

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• Il carattere per il quale si seleziona più frequentemente è la produttività, la cui interazione con l’ambiente determina le rese.

• La produttività è un carattere complesso, a bassa ereditabiltà, per cui si seleziona per caratteri più semplici (es. componenti della produzione)

• Ideotipo di pianta in funzione dell’ambiente colturale (epoca di spigatura e di maturazione, taglia, sistema radicale, portamento della pianta e delle foglie, funzionalità fotosintetica, forma della spiga, struttura della granella, etc.)

• La produttività va sempre associata alla qualità

• Prodotto (granella) adatto alla destinazione d’uso

Produttività

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IDEOTIPO

(Donald, 1981)

BASSA CAPACITÀ DI COMPETIZIONE (PIANTA CHE CRESCE E SI SVILUPPA SENZA ARRECARE DANNO ALLE CONTIGUE)

TAGLIA RIDOTTA

RIDOTTA FOGLIOSITÀ

BASSO INDICE DI ACCESTIMENTO

PORTAMENTO ERETTO DELLE FOGLIE

ELEVATI RITMI FOTOSINTETICI

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Una maggiore potenzialità produttività in

condizioni ottimali comporta più elevate

esigenze colturali e, quindi, una minore stabilità

produttiva in condizioni ambientali meno

favorevoli.

È difficile riferirsi ad un UNICO IDEOTIPO

produttivo, in quanto gli ambienti e le

agrotecniche adottate sono estremamente

diversificati.

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Tra varietà ed ambiente di coltivazione si possono

instaurare dei rapporti di INTERAZIONE molto forti

(Interazione Genotipo Ambiente) che possono

condizionare pesantemente le prestazioni della varietà.

La risposta della varietà è condizionata dalle situazioni

pedoclimatiche o dalla gestione agronomica della

coltura.

Il comportamento adattativo è generalmente legato

all’origine del germoplasma di base e/o all’ambiente di

selezione della varietà.

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La selezione per ampio adattamento (cioè per

l’adattamento a diverse condizioni pedoclimatiche e

agronomiche) può consentire economie di scala nella

costituzione varietale e nelle attività di produzione e

distribuzione del seme, e può facilitare la promozione e

raccomandazione varietale.

Tuttavia, la maggior parte delle varietà appare

caratterizzata da adattamento specifico, cioè da

risposte adattative generalmente circoscritte in termini

geografico-ambientali. La selezione per adattamento

specifico può permettere di massimizzare i guadagni

selettivi in un dato ambiente e promuove una maggiore

diversificazione varietale e, dunque, una maggiore

biodiversità nel territorio.

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Il miglioramento genetico, la

raccomandazione varietale e la diffusione

commerciale devono considerare o

sfruttare l’interazione tra varietà ed

ambiente di coltivazione.

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La riduzione della taglia della pianta è stato uno dei

principali obiettivi del miglioramento genetico nella prima

metà del ‘900 ed è ancora un obiettivo importante in molti

programmi di costituzione varietale.

Migliore

resistenza

all’allettamento

Migliore ripartizione della sostanza secca

tra prodotto utile e residui pagliosi

più alto indice di raccolta (Harvest Index, HI)

Colture più fitte

> concimazioni

azotate

Altezza della pianta

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L’altezza della pianta di grano è un carattere controllato

da pochi geni principali con un grande effetto e da molti geni con

piccoli effetti. Questi geni costituiscono dei QTL che possono

essere identificati usando marcatori molecolari relativamente facili

da analizzare

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La fioritura è il singolo carattere con la maggior

influenza sull’adattamento di una varietà al suo

ambiente di coltivazione. In frumento, la durata della

fase che precede la spigatura è un fenomeno

complesso che è determinato da tre fattori:

vernalizzazione, lunghezza del giorno e temperature,

spesso interagenti tra di loro.

L’epoca di spigatura è un carattere di facile

determinazione ed altamente ereditabile, così che in

ogni ambiente può essere perseguita un’epoca di

spigatura ‘ottimale’.

Precocità di spigatura

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Negli ambienti italiani la precocità di spigatura

rappresenta la fondamentale caratteristica per sfuggire

alla siccità tardo-primaverile/estiva che frequentemente

si verifica. Per questo motivo, la precocità ha

rappresentato un costante criterio di selezione nei

programmi di selezione condotti in Italia,

compatibilmente con la necessità di evitare che la

spigatura cada in un periodo in cui sono ancora

possibili pericolose gelate tardive.

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RESISTENZA AL FREDDO

• Il danno si può verificare in due momenti del ciclo colturale: - con freddo invernale, che colpisce la pianta durante le fasi vegetative - con freddo primaverile, che colpisce le piante durante le prime fasi riproduttive.

• Il primo, se accentuato, porta al congelamento della pianta e quindi anche alla morte; se non accentuato, porta ad una riduzione della capacità di accestimento.

• Il secondo è dannoso quando il freddo si manifesta durante la levata, con la spiga in formazione, o peggio ancora durante la spigatura. Il danno più evidente è la ridotta fertilità della spiga.

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• Le specie diploidi (AA) non sono molto resistenti al freddo.

• Le specie tetraploidi (AABB) presentano una resistenza maggiore rispetto ai diploidi.

• Le specie esaploidi (AABBDD) sono le più resistenti, specialmente quelle provenienti dal Centro ed Est Europa (T. zhukovskyi, T. spelta)

• La pianta presenta diversi meccanismi adattativi multipli, per cui non si può selezionare per un unico carattere.

• Carattere a base poligenica, controllato da geni parzialmente dominanti con effetto additivo.

• I geni sono localizzati nei cromosomi 5A, 5B, 5D e 2B e 4B.

• Uso di di prove di laboratorio e di marcatori fisiologici per la selezione

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Difficoltà di natura economica ed ambientale hanno

reso il miglioramento genetico della resistenza agli

stress abiotici una valida alternativa alle pratiche

agronomiche per ridurre il divario tra le rese reali e

quelle potenziali, soprattutto nelle aree più marginali.

L’identificazione di varietà capaci di resistere agli

stress è l’innovazione tecnologica più facilmente

trasferibile agli agricoltori in tali aree, e capace di

garantire la sostenibilità dei sistemi agricoli.

RESISTENZA ALLA SICCITÀ

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La resistenza agli stress abiotici, in quanto parte

essenziale dell’adattamento ambientale, è

necessariamente legata ad un dato ambiente. Tale

resistenza è generalmente associata ad un adattamento

specifico.

I caratteri potenzialmente utili dovrebbero essere

valutati e verificati in specifiche condizioni ambientali.

Il miglioramento genetico per la resistenza agli stress

abiotici ha compiuto notevoli progressi quando è stato

riconosciuto che la selezione deve avvenire in presenza

dello stress.

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Numerosi caratteri morfo-fisiologici sono stati indicati

come criteri di selezione indiretta per la resistenza alla

siccità.

• Precocità

• Presenza di reste

• Ultimo internodo lungo

• Pubescenza

• Ritardo senescenza fogliare

• Arrotolamento fogliare

• Cere epicuticolari

• Riflettanza radiazione intercettata

• Ridotta conducibilità stomatica

• Stabilità membrane cellulari

• Ridotto diametro vasi radicali

• Accumulo di prolina

• Aggiustamento osmotico

• Efficienza utilizzazione dell’acqua

• Efficienza traslocazione sintetati

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RESISTENZA ALLE MALATTIE

La costituzione di varietà di frumento

geneticamente resistenti rappresenta il metodo

di controllo più efficace, più economico e più

‘ecologico’, considerando il costo dei

trattamenti, la diffusione di varianti dei

parassiti resistenti ai principi attivi e il rischio

di presenza di residui chimici tossici sul

prodotto.

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RESITENZA ALLE AVVERSITÀ BIOTICHE

Le piante rispondono all’attacco dei patogeni attivando GENI di varia natura coinvolti nella difesa.

STRATEGIA DI DIFESA

modificazioni della parete cellulare

sintesi di fitoalessine tossiche al patogeno

inibizione di enzimi del patogeno

produzione di enzimi pectinolitici

produzione di proteine (RIP = Ribosome Inactivating

Proteins) caratterizzate dall’essere potenti inibitori della

sintesi proteica delle cellule eucariote

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MIGLIORAMENTO GENETICO DELLA QUALITÀ

Tutti i costituenti chimici della cariosside influiscono sulle caratteristiche del prodotto finito.

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EFFETTO QUALITÀ La maggior influenza è comunque dovuta alla componente

proteica, intesa in senso quantitativo e qualitativo.

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LE PROTEINE DEL FRUMENTO TENERO

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LE PROTEINE DEL FRUMENTO DURO

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La QUALITÀ PROTEICA del frumento è controllata da più geni, localizzati su differenti cromosomi, tra loro interagenti. È possibile selezionare per qualità proteica già a partire dalle prime generazioni segreganti mediante analisi elettroforetiche. Le componenti proteiche evidenziate con l’elettroforesi sono ereditate in modo semplice.

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Selezione per caratteristiche del seme di frumento duro

• Bianconatura: carattere sotto controllo genetico ma molto influenzato dall’ambiente ed in particolare dalle tecniche colturali (concimazione azotata)

• Contenuto in ceneri: carattere sotto controllo genetico ma elevata interazione genotipo x ambiente

• Colore giallo ambrato: dipende dal contenuto di carotenoidi e dall’attività delle lipossigenasi (enzimi che decolorano i carotenoidi). Esiste ampia variabilità genetica. Recentemente è stato introdotto in duro il gene Yp (yellow pigment) proveniente da Agropyron elongatum. Geni localizzati sui cromosomi della serie 2, 4, 5 e 7