Domesticazione e struttura della diversità genetica in Phaseolus vulgaris: implicazioni per il...

Agroindustria / Vol.6 / Num. 1 2007 61

Domesticazione e struttura della diversità genetica in Phaseolus vulgaris:implicazioni per il miglioramento geneticoGiardini Alessandro, Rossi Monica, Bellucci Elisa, Bitocchi Elena, Desiderio Francesca, Nanni Laura, AngioiSimonetta1, Rau Domenico1, Attene Giovanna1, Logozzo Giuseppina2, Spagnoletti Zeuli Pierluigi2, Tiranti Barbara3,Negri Valeria3, Ferrari Valentino4, Papa RobertoDipartimento di Scienze degli Alimenti, Università Politecnica delle Marche, Ancona, Italy1Dipartimento di Scienze Agronomiche e Genetica Vegetale Agraria, Università di Sassari, Italy.2Dipartimento di Biologia, Difesa e Biotecnologie Agro-Forestali, Università degli Studi della Basilicata, Potenza, Italy3Dipartimento di Biologia Vegetale e Biotecnologie Agro-ambientali e Zootecniche, Università degli Studi di Perugia, Italy4CRA Istituto di Ricerca per l'Orticoltura, Sezione di Ascoli Piceno, Italy

RIASSUNTOLa diversità genetica è il presupposto per ogni programma di miglioramento genetico. E' quindi cruciale, per pianificare un’efficiente utilizzazione delladiversità genetica nel miglioramento genetico delle piante coltivate, disporre di un'approfondita conoscenza della struttura della diversità genetica dellespecie su cui si intende operare. Nel presente articolo, dopo una breve introduzione, saranno illustrati alcuni recenti risultati relativi alla struttura delladiversità genetica in P. vulgaris che verranno discussi in relazione alle prospettive per il miglioramento genetico.

Parole chiave: fagiolo comune, risorse genetiche, domesticazione, miglioramento genetico, selezione

SUMMARYStructure of genetic diversity and domestication history in Phaseolus vulgaris: implications for crop improvementOver the last few years, the process of crop domestication has become of great interest among plant scientists, with QTL analysis and gene cloningproviding new tools to better address questions related to the origins and duration of domestication and the identification of its genetics and molecularbasis. Crop domestication not only represents a milestone in the history of human beings and a unique model for the study of evolutionary processes,but recent studies have clearly indicated that the use of wild relatives can have a tremendous impact on crop improvement. The main reason for theseaccomplishments is the introduction of novel diversity that was not included during the domestication process because of the reduction in diversityimposed by founder effects and selection at target loci. Not only have useful variants been fixed into the original domesticated pools, but additionalgenes that may be useful for plant breeding have lost their diversity through genetic drift. Whereas gene flow after domestication may have partiallyrestored the diversity included in the domesticated pools, selection by farmers for key traits of domestication, facilitated by the recessive nature ofmost of the domesticated alleles, has probably affected linked regions of the genome. Several problems are associated with the introduction of exoticgermplasm, such as the dominance of most wild alleles at domestication loci, the occurrence of deleterious traits that tend to mask useful variants, thepresence of various levels of incompatibility between domesticated crops and their wild relatives, the need to develop an efficient identification systemfor the most promising wild genotypes to build segregating populations, and the high segregation distortion that limits the amount of introgressionfrom the wild source. Thus, to better exploit the genetic diversity present in the wild relatives of a crop, a knowledge of the location of genes involvedin the domestication syndrome and the proportion of the genome affected by domestication appear to be crucial. In P. vulgaris L., the regions linkedto the domestication loci have probably been less exploited historically by farmers and breeders, and they are those where the highest diversity of thewild relatives is located. Here we present the work that we have done on the analysis of the genetic diversity of wild and domesticated populations,including European and Italian landraces, and we discuss its implications for plant breeding in the common bean.

Key words: common bean, genetic resources, domestication, plant breeding, selection

Autore corrispondente: R. Papa, Dipartimento diScienze degli Alimenti, Università Politecnica delleMarche, Via Brecce Bianche, 60131 Ancona, Italy.Telefono 0712204984; fax 0712204988; email:[email protected]. Il presente lavoro è stato finanziatonell'ambito del programma PRIN 2005 (MIUR) ProgettoNo. 2005071310.

INTRODUZIONELa diversità genetica è il presupposto per

ogni programma di miglioramento genetico.Per pianificare un’efficiente miglioramentogenetico delle piante coltivate occorre unaapprofondita conoscenza della struttura delladiversità genetica delle specie su cui si intendeoperare. Nei programmi volti allacostituzione di nuove varietà la diversitàgenetica che viene utilizzata è, quasiesclusivamente, quella che si evidenzia dallasegregazione e dalla ricombinazione di ibridi

ottenuti a partire da genotipi adattati ovvero,che presentano elevate caratteristicheagronomiche e che appartengono ad unospecifico gruppo varietale (pool genico,razza, tipologia varietale ecc.). Infatti, è statodimostrato che l'uso del germoplasmaadattato consente comunque di otteneremiglioramenti varietali significativi anche,come evidenziato nelle varietà di orzo damalto, quando la diversità genetica utilizzataè estremamente ridotta (Rasmusson, 1997).Il germoplasma non adattato è utilizzato, ingenere, solo per l'introgressione di caratteriqualitativi (e.s. resistenza a malattie)attraverso programmi di reincrocio, i qualiconsentono di ricostituire l'ideotipo varietaleil più rapidamente possibile durante le fasidi selezione. E' noto infatti, che programmi

di incrocio basati sulla utilizzazione digermoplasma non adattato rendono moltolungo ed oneroso il ritorno alla tipologia de-siderata.

Allo stesso tempo, l'effetto delmiglioramento genetico basatosull'utilizzazione di germoplasma adattatorisulta largamente inferiore a quello che èpossibile ottenere con fonti non adattate digermoplasma. Ad esempio, l'uso delle specieselvatiche di pomodoro ha consentito diottenere incrementi produttivi del 50% (Gurand Zamir, 2004). Anche per il fagiolocomune, l'utilizzo delle forme selvatiche nelmiglioramento genetico ha reso possibilel'ottenimento di incrementi produttivisignificativi (Singh et al., 1995; Kelly, 2004;Blair et al., 2006).

62 Agroindustria / gennaio-aprile 2007

La ragione principale di questi successi èdovuta all'introduzione di nuova diversitàgenetica che non era stata incorporata nellabase genetica delle forme coltivate durante ilprocesso di domesticazione. Il processo diselezione che ha portato alla domesticazionedelle piante coltivate ha comportato laselezione di alcune varianti utili per lacoltivazione (perdita della dormienza dei semie della deiscenza dei frutti, aumento delledimensioni dei semi ecc.), ma ha anchefortemente ridotto la base genetica delle formecoltivate rispetto a quelle selvatiche (Geptsand Papa 2002). La riduzione di diversitàdurante il processo di domesticazione è stataindotta da due fattori: 1) la selezione per iloci che controllano i caratteri delladomesticazione e per quelli ad essi associati;2) la deriva genetica che ha influenzato inmaniera uniforme l'intero genoma ed è legataalla dimensione della popolazione che ha datoorigine al pool genico domesticato (collo dibottiglia della domesticazione).

L'uso di germoplasma non adattato rendeil lavoro di miglioramento molto oneroso inrelazione a vari fattori quali: la dominanza digran parte degli alleli selvatici dei caratteriselezionati durante la domesticazione, lapresenza nelle forme selvatiche di molticaratteri sfavorevoli che tendono amascherare le varianti utili, la presenza divari livelli di incompatibilità, un elevato livellodi distorsione della segregazione che limital'entità dell'introgressione dalle formeselvatiche (Tanskley and McCouch, 1997).L'utilizzo dei marcatori molecolari puòrisultare molto importante per superare ocomunque ridurre molte delle difficoltà

impollinatori, Bombus spp. (Free, 1966). Laforma selvatica predilige ambienti con tem-perature medie annuali comprese tra i 16 e24° C, che nelle zone di origine corrispondonoad altitudini di 900 - 2000 metri, conprecipitazioni comprese tra i 500 e 1500 mmannui.

La forme selvatiche del P. vulgarispresentano una distribuzione geograficaestesa su oltre 8.000 Km, dal nord delMessico fino al nord dell'Argentina. Sullabase della distribuzione dei diversi tipi difaseolina (proteina di riserva del seme) sonostati identificati due principali pool genicinelle forme selvatiche di P. vulgaris: il poolgenico mesoamericano, che include le formeselvatiche del Messico, del Centroamericae della Colombia, e il pool genico andino(Perù, Bolivia, Argentina). Un terzo poolgenico è stato identificato in Equador e nelnord del Perù ed è caratterizzato da unaparticolare forma di faseolina (Tipo I) che èconsiderata la forma ancestrale dalla qualele altre faseoline si sono evolute (Kami etal., 1995). In base a questo risultato siritiene che il P. vulgaris si sia originato nelnord-Perù e Equador e che da qui si siadiffuso verso nord e verso sud, dando origineai pool genici andino e mesoamericano. Ladomesticazione del fagiolo è avvenutaindipendentemente in Mesoamerica e nelleAnde, dando origine a due pool genicidomesticati nettamente differenziati sia daun punto di vista morfologico sia biochimicoe molecolare (Fig. 2).

La domesticazione in P. vulgarisLa domesticazione del fagiolo è avvenuta

elencate.Quindi, un'approfondita conoscenza della

struttura della diversità genetica delle formedomesticate e selvatiche e l'identificazionedei geni e delle regioni genomiche coinvoltenel processo di domesticazione e didiversificazione delle forme domesticate èfondamentale per l'efficiente utilizzazionedelle fonti di germoplasma non adattato.

Nel presente articolo, dopo una breveintroduzione, saranno illustrati alcuni recentirisultati relativi alla struttura della diversitàgenetica in P. vulgaris che verranno discussiin relazione alle prospettive per ilmiglioramento genetico.

Il fagiolo comuneIl genere Phaseolus è una leguminosa

appartenente alla tribù Phaseoleae (Fig. 1),che comprende diverse specie di notevoleimportanza economica (75% dellaproduzione mondiale delle leguminose dagranella) come il fagiolo (Phaseolus spp.), ilfagiolo dall'occhio (Vigna unguiculata) e lasoia (Glicine max). Il genere Phaseoluscomprende circa 50 specie tutte originariedel continente americano di cui 5 domesti-cate: P. vulgaris (fagiolo comune), P. lunatus(fagiolo di lima), P. acutifolius, P. coccineus(fagiolo di Spagna) e P. dumosus. Il P. vul-garis risulta filogeneticamente molto vicinoal P. coccineus e al P. dumosus; tra questespecie e il P. vulgaris è possibile ottenereibridi fertili, particolarmente quando il P.vulgaris è utilizzato come genitore femminile.

Il P. vulgaris è una specie diploide(2n=2x=22), strettamente autogama, conoccasionali incroci dovuti ad insetti

Figura 1 - Filogenesi delle Leguminosae. Modificata da Doyle et al. (1997).Figure 1 - Phylogeny of legumes. Figure modified from Doyle et al. (1997).

Altre leguminose tropicali

Pisello, Medica Soia, Vigna Fagiolo

Lotus Arachide Lupino


indipendentemente in Mesoamerica(Messico centro-settentrionale) e nelle Ande,dando origine a due pool genici domesticatinettamente differenziati sia da un punto divista morfologico che biochimico e molecolare(Fig. 2). Gli incroci tra il progenitore selvaticoe le forme domesticate originano una progenievitale e fertile. I caratteri principali selezionatidurante il processo di domesticazione sonocomuni nei due pool genici: riduzione delladormienza dei semi e della deiscenza deibaccelli (Fig. 3), habitus di crescita compatto(es. forme nane), riduzione della sensibilitàal fotoperiodo e aumento della dimensionedi semi e baccelli. I principali geni e QTLslegati al processo di domesticazione sonostati localizzati nella mappa genetica di P.vulgaris.

Struttura genetica delle popolazionidomesticate e selvatiche di P. vulgaris

Papa e Gepts (2003) hanno analizzato conmarcatori molecolari AFLP la strutturagenetica di popolazioni selvatiche e domes-ticate di P. vulgaris L., collezionate inMessico in diverse are geografiche e a diversilivelli di simpatria fra forme domesticate eselvatiche. Le analisi molecolari sono state,inoltre, condotte su un campione di accessionirappresentativo del pool genico

mesoamericano. I risultati ottenuti indicanoche le forme domesticate mesoamericanederivano da un singolo evento didomesticazione, come confermato da ulteriorianalisi condotte utilizzando marcatorimolecolari e analisi del polimorfismonucleotidico di un frammento genico di circa1200 bp (Nanni, et al., in preparazione, Rossiet al., in preparazione). Papa e Gepts (2003)hanno evidenziato che le forme selvatiche equelle domesticate non sono geneticamenteisolate, ma sono collegate da un moderatoflusso genico che risulta asimmetrico: circa 3o 4 volte maggiore dalle forme domesticate aquelle selvatiche che viceversa.

Le forme domesticate e selvatiche, comericordato in precedenza, presentano dellemarcate differenze fenotipiche che rimangonotali anche in condizioni di simpatria. Inpresenza di flusso genico, il mantenimentodi tali differenze fenotipiche potrebbe esserespiegato dalla selezione che agisce contro glialleli domesticati in ambiente selvatico eviceversa, contro quelli selvatici nellecondizioni di coltivazione. Questa ipotesi èstata confermata da Papa et al. (2005)utilizzando marcatori AFLP posizionati suuna mappa molecolare di P. vulgaris, doveerano già stati localizzati geni e QTLscoinvolti nel controllo dei principali caratteri

della sindrome della domesticazione. Imarcatori molecolari sono stati quindisuddivisi in tre gruppi in funzione della lorodistanza dai loci coinvolti nel processo didomesticazione. Le distanze genetiche (FST)fra forme domesticate e selvatiche sonorisultate significativamente maggiori permarcatori localizzati in prossimità di geni eQTLs legati al processo di domesticazione(D) rispetto a marcatori localizzati in altreregioni del genoma (UN). Parallelamente, lariduzione di diversità delle forme domesti-cate rispetto a quelle selvatiche definita comeΔH=(HW-HD)/HW (diversità genetica delleforme selvatiche HW e domesticate HD) èrisultata maggiore per i marcatori D rispettoa marcatori UN. Quindi si osserva una piùelevata differenziazione fra le forme selvatichee domesticate, accompagnata ad una maggioredifferenza in termini di diversità genetica inregioni del genoma coinvolte nel processo didomesticazione rispetto alle altre regioni delgenoma. In assenza degli effetti della selezionenon si dovrebbero osservare differenzesignificative fra le diverse regioni. Infatti,grazie alla ricombinazione, l'effetto dellaselezione è quello di modificare le frequenzealleliche di loci specifici e, indirettamente,quelle di loci neutrali ad essi associati; alcontrario, la deriva genetica agisce in modo

1stima della percentuale di superficie fogliare colpita. Medie di due località1assessment of the attacked leaf surface. Mean of two locations

Domesticazione mesoamericana

DomesticazioneAndina

Domesticazione mesoamericana

DomesticazioneAndina

Figura 2 - Origine e domesticazione del fagiolo comune.Figure 2 - Origin and domestication of the common bean.


uniforme nell'intero genoma.Inoltre, i livelli di diversità osservati

indicano che il flusso genico dalle forme do-mesticate a quelle selvatiche ha, nelle regionidel genoma non coinvolte nel processo didomesticazione, sostituito gli alleli delleforme selvatiche riducendo così la diversitàgenetica, mentre, nelle regioni del genomacoinvolte nel processo di domesticazione, laselezione ha impedito tale fenomeno. Irisultati ottenuti da Papa et al. (2005)evidenziano la possibilità di identificare locidi interesse in P. vulgaris analizzando ipolimorfismi molecolari a livello dell'interogenoma.

Sulla base di tali risultati Papa et al., 2007hanno quindi condotto una prima analisidell'intero genoma di P. vulgaris peridentificare le tracce molecolari delladomesticazione sulla struttura genetica delleforme selvatiche e domesticate.

Identificazione delle tracce molecolaridella selezione durante il processo didomesticazione di P. vulgaris

Le analisi molecolari sono state condotteutilizzando 2506 marcatori AFLP (141combinazioni di primer) su 14 "bulk" diDNA (miscela di campioni di DNA ottenutida genotipi differenti) di cui 7 ottenuti apartire da genotipi domesticati e 7 da genotipiselvatici. Considerando che la dimensione delgenoma di P. vulgaris è di circa 600 Mb ladensità media dei marcatori utilizzatidovrebbe corrispondere a circa 1 marcatoreogni 250 kb. Inoltre, circa il 10% dei marcatori

è stato analizzato anche su tutti i singoligenotipi utilizzati per la costituzione deibulk. Utilizzando un approccio empirico,sono state quindi stimate le frequenze allelichedelle due popolazioni (domesticata vsselvatica) sulla base dei dati ottenutidall'analisi dei bulk di DNA. Per ognimarcatore, in entrambi i dataset, è statovalutato lo scostamento rispetto ad un attesoneutrale utilizzando un metodo basato sulladifferenziazione delle frequenze alleliche frapopolazioni (FST).

Questo studio ha indicato che una elevatafrazione del genoma di P. vulgaris (16%-18%) sembra sia stata influenzata dallaselezione durante il processo didomesticazione. Inoltre, i marcatori analizzatisui singoli genotipi, sono stati posizionatisulla mappa di consenso di P. vulgarisottenuta utilizzando la popolazioneBAT93xJaloEEP558. Gran parte deimarcatori identificati come potenzialmenteinfluenzati dal processo di domesticazionesono localizzati in prossimità di geni e QTLslegati al processo di domesticazione.

Complessivamente questi risultatiindicano che nel fagiolo comune la diversitàgenetica di una larga parte del genoma sembraessere stata influenzata dalla selezione,probabilmente in relazione all'associazionecon i geni direttamente influenzati dallaselezione.

Questi risultati indicano innanzitutto chegli approcci volti ad identificare loci chepresentano scostamenti rispetto ad un attesoneutrale nei livelli di diversità e

differenziazione delle popolazioni, sirivelano molto utili per l'identificazione digeni e QTLs di interesse. Presentano,pertanto, importanti implicazioni per ilmiglioramento genetico del fagiolo inparticolare, in relazione alle strategie diutilizzazione della variabilità contenuta nelleforme selvatiche.

Le varietà locali europee e italianeIn seguito ai viaggi di Colombo, a partire

dal 1492 molte specie vegetali vennerointrodotte dall'America in Europa (Simmonds,1976). Probabilmente il fagiolo comune arrivòin Spagna e Portogallo dall'America centraleintorno al 1506 (Ortwin-Sauer, 1966).L'esplorazione del Perù da parte di Pizarro,nel 1528, portò all'introduzione di accessioniandine in Europa a partire dal 1532 (Bruchere Brucher, 1976). La prima descrizione dipiante di fagiolo comune in Europa in erbariorisale al 1543 (Fuchs, 1543) in Germania,periodo nel quale iniziò anche l'espansionenell'area del Mediterraneo. Birri e Coco (2000)citano un manoscritto del 1550 in cui PieroValeriano Bolsanio (Biblioteca Vaticana CodiceLatino 5215 C 8-9) descrive di un suo viaggioda Roma a Belluno nel 1532 e di una borsa difagioli ricevuta dal Papa, Giuliano de Medici(Papa Clemente VII, 1523 - 1534), con lospecifico obiettivo di introdurre lacoltivazione di questa specie nel Bellunese.Anche la realistica rappresentazione delfagiolo comune che appare nel portale dibronzo della cattedrale di Pisa, datato al 1595,suggerisce che il P. vulgaris era ben conosciuto

Figura 3 - Deiscenza dei baccelli in Phaseolus vulgaris L.Figure 3 - Pod shattering in Phaseolus vulgaris L.


in Italia già alla fine del sedicesimo secolo. IlP. vulgaris probabilmente arrivò in Turchia eIran a partire dal 1600. Nel XVII e XVIIIsecolo, gli arabi introdussero il fagiolo comunenell' Africa Orientale, e nel 1669 la suacoltivazione si diffuse su larga scala nei PaesiBassi (Van der Groen, 1669).Complessivamente questo dimostra che ladiffusione dei fagioli in Europa è stata moltocomplessa, e che le diverse introduzioni dalNuovo Mondo sono state accompagnate daintensi scambi tra l'Europa e altri paesi delMediterraneo.

Recentemente l'utilizzo di marcatorimolecolari ha consentito di approfondire leconoscenze circa le origini e la diffusione delP. vulgaris dall’areale di domesticazione finoall’Europa. Le analisi delle faseoline hannorivelato che entrambi i pool genici (andino emesoamericano) sono stati introdotti inEuropa e che le forme andine sono prevalentisu quelle mesoamericane (Gepts e Bliss,1988). Come evidenziato da Papa et al. (2006),la preponderanza dei tipi andini è ancheriscontrabile a livello dei singoli paesi europeie anche a livello regionale.

Complessivamente la frequenza di poolgenici mesoamericani e andini appare moltosimile a livello continentale, nazionale eregionale. Ciò suggerisce un ampio scambiodi semi nei paesi europei. La prevalenza deitipi andini è confermata anche in Turchia e neiBalcani anche se, in quest'area, le formemesoamericane presentano una più elevatafrequenza rispetto alle altre regioni europee(Papa et al. 2006).

La riduzione di diversità dovuta ad effettidi deriva genetica conseguenti all’introduzionedel fagiolo comune in Europa non è stata cosìforte come precedentemente sospettato esembra che l' ibridazione tra i due pool geniciabbia avuto un impatto significativo sulmantenimento di un alto livello di diversitàgenetica.

Complessivamente, la struttura delladiversità genetica di fagiolo comune sembraessere stata influenzata sia dall'ibridazione trai due pool genici che dalla selezione perl'adattamento all'ambiente europeo.

Per ottenere una comprensiva immaginedella diversità del fagiolo comune in Europaè necessario confrontare campionirappresentativi di diversi paesi Europei edelle aree di origine del fagiolo.

A questo scopo è stato avviato uno studiodella variabilità genetica del germoplasmaEuropeo. Un campione costituito da 544accessioni europee e78 di origine americana, èstato valutato per il tipo di faseolina e peralcune caratteristiche morfologiche (Logozzoet al., 2007). Le analisi biochimiche emorfologiche hanno reso possibilel'identificazione di una core collection di 300accessioni. Inoltre è stato possibile valutare ladistribuzione dei tipi di faseolina, utilizzandoun campione altamente rappresentativo delcontinente europeo. I risultati confermano laprevalenza dei tipi andini (76%).

Le 300 accessioni Europee della core col-lection sono state successivamente analizzatecon microsatelliti plastidiali (cpSSR) (Angioiet al., in preparazione) e con marcatori STS

(Nanni et al., in preparazione). Queste analisiindicano che, rispetto ai controlli di origineamericana, non si osserva una riduzione dellavariabilità genetica dei materiali europei,mentre appare molto frequentel'introgressione fra i materiali di origine andinae quelli di origine mesoamericana (26%; 81genotipi). Infine, l'uso combinato di marcatorimolecolari nucleari e del cloroplasto ha resopossibile stabilire che la frequenza dei genotipioriginati dall'ibridazione fra i due pool genici èsignificativamente più elevata quando ilgenitore femminile è mesoamericano (34%)rispetto a quando è di origine andina (23%).

Parallelamente allo studio sui materialieuropei è stata condotta, nel corso di circa undecennio, un'intensa attività di esplorazione ecollezione delle varietà locali di fagiolo che hainteressato diverse regioni italiane (Marche,Umbria, Abruzzo, Lazio, Basilicata eSardegna). Numerose varietà locali sono statecollezionate presso aziende private e quindicatalogate e caratterizzate (Negri e Tosti2002a, b; Sicard et al., 2005; Angioi et al. inpreparazione; Logozzo et al. in preparazione).Le accessioni collezionate sono attualmenteconservate presso le Università di Ancona,Perugia, Potenza e Sassari. Gran parte delleaccessioni sono state sottoposte ad unavalutazione morfo-agronomica e molecolare,al fine di indagare e stimare i livelli di diversitàesistenti nelle varietà locali italiane di fagiolocomune (Fig. 4).

Un’ampia varietà morfologica è stataosservata nell’ambito dei materiali raccolti,variabilità che si è manifestata in modo più

Figura 4 - Rappresentazione schematica delle "isole della domesticazione".Figure 4 - Schematic representation of the "island of domestication".

Gene indesiderato; es. Deiscenza dei semi

Gene desiderato; es. Incrementodella produttività

Isola della domesticazione: Localizzata attorno geni coinvolti nelprocesso di domesticazione. Allta diversitànelle forme selvatiche e ridotta diversitànelle forme domesticate rispetto alle altreregioni del genoma. Molto raramente èavvenuta introgressione dalle formeselvatiche in quelle domesticate.

Altre regioni del genoma: Localizzate lontano (diverse cM) dailoci coinvolti nel processo didomesticazione. Simile diversità fraforme domesticate e selvatiche. Eventi di introgressione dalle formeselvatiche in quelle domesticate relativamente frequenti.

Segmento cromosomico Gene indesiderato; es. Deiscenza dei semi

Gene desiderato; es. Incrementodella produttività

Isola della domesticazione: Localizzata attorno geni coinvolti nelprocesso di domesticazione. Allta diversitànelle forme selvatiche e ridotta diversitànelle forme domesticate rispetto alle altreregioni del genoma. Molto raramente èavvenuta introgressione dalle formeselvatiche in quelle domesticate.

Altre regioni del genoma: Localizzate lontano (diverse cM) dailoci coinvolti nel processo didomesticazione. Simile diversità fraforme domesticate e selvatiche. Eventi di introgressione dalle formeselvatiche in quelle domesticate relativamente frequenti.

Segmento cromosomico


evidente a livello del seme per caratteri qualimaculatura, colore, forma e peso dei 100 semi.Allo stesso modo i dati molecolari hannoconfermano un'elevata diversità genetica ehanno reso possibile identificare l'origine deimateriali analizzati.

Implicazioni per il miglioramentogenetico del fagioloUso del germoplasma selvatico

I risultati degli studi sull'effetto del flussogenico e della selezione nella struttura delladiversità genetica del fagiolo comune (Papa eGepts, 2003; Papa et al., 2005; Papa et al.,2007) possono essere così interpretati eriassunti:

1) l’introgressione di geni fra forme do-mesticate e selvatiche è asimmetrica: maggioredalle forme domesticate che viceversa.

Questo fenomeno dovrebbe portare allariduzione della diversità e alla perditadell'identità genetica delle forme selvatiche.Infatti, nel lungo periodo e in assenza diselezione, il flusso continuo di allelidomesticati nelle forme selvatiche dovrebbesostituire il patrimonio genetico delle formeselvatiche con quello delle forme domesti-cate. L'osservazione che le forme domesti-cate e selvatiche mantengono una fortedifferenziazione molecolare anche incondizioni di simpatria suggerisce quindi che

la selezione eterogenea è probabilmente ilfattore determinante che si oppone allaperdita di identità genetica delle formeselvatiche (Papa e Gepts, 2003);

2) l’introgressione degli alleli dalle formedomesticate a quelle selvatiche è limitata dallaselezione per i loci che controllano i caratteridella domesticazione. Nelle regioni delgenoma che fiancheggiano geni e QTLs delladomesticazione, le forme selvatiche hannomantenuto intatta la loro diversità geneticamentre, in altre regioni la diversità delle formeselvatiche è molto simile a quella delle formedomesticate (Papa et al., 2005);

3) La selezione durante il processo didomesticazione ha drasticamente ridotto ladiversità genetica delle forme domesticate,non solo per i loci sotto selezione (hitchhik-ing), ma anche per molti altri loci a loroassociati. Per le piante autogame questofenomeno può estendersi per lunghi trattidel genoma in presenza di ridottaricombinazione effettiva (funzione delladistanza fra due loci e del numero dieterozigoti delle popolazioni) fra lociassociati (Papa et al., 2007).

Quindi, il genoma di Phaseolus vulgaris ècaratterizzato da regioni che circondano i genie QTLs della domesticazione che presentanouna elevata, e storicamente inesplorata,diversità genetica nelle forme selvatiche; al

contrario, le stesse regioni presentano unadiversità estremamente ridotta nelle formedomesticate. Tali regioni sembrano estendersiper circa 1/5 del genoma del fagiolo comune.Quindi, è prevedibile che un elevato numerodi geni potenzialmente utili per ilmiglioramento genetico sia localizzato inqueste regioni.

L'utilizzazione di tale diversitàpresuppone però la rottura dell’associazionefra gli alleli non desiderati (es. deiscenza deibaccelli) e alleli potenzialmente utili nelmiglioramento genetico. A questo fine ènecessario utilizzare metodi di miglioramentogenetico che favoriscano la ricombinazioneall'interno delle isole della domesticazione edisporre di marcatori molecolari in grado difavorire l'introgressione mirata el'eliminazione dei geni non desiderati. Perquesto l'identificazione dei geni coinvolti nelprocesso di domesticazione è di fondamentaleimportanza per migliorare la capacità diutilizzare, nel miglioramento genetico, ladiversità contenuta nelle forme selvatiche.Inoltre l'identificazione dei geni coinvolti nelprocesso di domesticazione potrebbeconsentire anche di esportare le informazionifra specie differenti e, anche con approcci diingegneria genetica, facilitare ladomesticazione di nuove specie o migliorarespecie già domesticate (ad esempio

Figura 5 - Varietà locali di fagiolo collezionate in SardegnaFigure 5 - Common bean landraces collected in Sardinia.


leguminose che presentano problemi didormienza o di deiscenza dei baccelli).

Con questo scopo è stato avviato, incollaborazione con il CRA-ISCI di Bologna,un programma di miglioramento genetico perincorporare all'interno di un backgroundgenetico domesticato, segmenti genomicilegati al controllo della sindrome delladomesticazione e per forzare laricombinazione all'interno dei segmentigenomici dove sono localizzati i geni checontrollano la sindrome delladomesticazione. L’obiettivo è quello diottenere materiali genetici come lineeisogeniche (NILs) e linee di introgressioneper geni che controllano la sindrome delladomesticazione e, parallelamente, genotipiche mostrano un buon valore agronomico eche abbiano una elevata probabilità di averavuto, durante le varie generazioni disegregazione, un evento di ricombinazionevicino ai loci della domesticazione.

Infine, poiché la caratterizzazionefenotipica dei materiali selvatici nonrappresenta un buon indicatore del loro valoregenotipico, è necessario identificare unnumero relativamente ristretto di genotipiselvatici da utilizzare come parentali nellosviluppo delle popolazioni segreganti. Conquesto scopo circa 200 genotipi, cherappresentano l'intero areale geografico edecologico della specie, sono stati analizzaticon varie tecniche di analisi molecolare(AFLP, cpSSR e analisi di sequenza). Questacaratterizzazione ha reso possibile definireun set di 12 genotipi che contengono tuttevarianti molecolari presenti nell'interocampione che verranno utilizzati per losviluppo di popolazioni segreganti.

Uso delle varietà locali europee e italianeDiversamente dalle forme selvatiche, le

varietà locali sono più facilmente utilizzabiliin programmi di miglioramento genetico.L'ampia variabilità presente nei materialieuropei e italiani rende tali materiali moltoutili nel miglioramento genetico. Inquest'ottica, sarebbe di notevole interesseapprofondire le basi genetichedell'adattamento del fagiolo agli ambientieuropei: infatti questi studi potrebberofornire utili informazioni per migliorare levarietà attualmente diffuse nel nostro paesee per meglio utilizzare il germoplasmacontenuto nelle varietà locali. Infine, l' elevatafrequenza in Europa di fenomeni diibridazione fra i pool genici andino emesoamericano e la possibilità concreta diidentificare le accessioni originate da talefenomeno appare di estremo interesse perl'utilizzazione di incroci fra i due pool genicinel miglioramento genetico.

CONCLUSIONINegli ultimi anni, gli studi sulla struttura

della diversità genetica delle forme domes-ticate e selvatiche di Phaseolus vulgarishanno prodotto una significativa quantitàdi informazioni che possono essereutilizzate per migliorare l'efficienza dellaconservazione e dell'utilizzazione delgermoplasma per il miglioramento geneticodel fagiolo comune.

In questo articolo sono stati presentatialcuni importanti risultati ottenuti da alcunigruppi di ricerca italiani che,complessivamente, indicano che l'uso dellavariabilità genetica contenuta nelle formeselvatiche e nelle landraces europee potràdare un contributo significativo ai futuriprogressi nel miglioramento genetico esottolineano la necessità di attuare strategieefficienti di conservazione di queste risorsegenetiche. Inoltre, tali studi hanno prodottoun significativo progresso nelle conoscenzerelative alla diversità genetica del fagiolocomune e hanno reso possibile lo sviluppodi materiali (popolazioni segreganti, corecollection) e strumenti molecolari (cpSSRmarcatori STS) che, già oggi, sono utilizzabiliin programmi di miglioramento genetico voltiall'introgressione, nelle varietà migliorate, dinuova variabilità genetica.

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Domesticazione e struttura della diversità genetica in Phaseolus vulgaris: implicazioni per il...

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