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Title: Trasferimento di geni da specie selvatiche a frumento tramite ingegneria cromosomica: potenzialità di questa strategia ed eventuali ostacoli
Other Titles: Gene transfer from wild species to wheat by chromosome engineering: potential and problems of this strategy
Authors: Grossi, Maria Rosaria
Keywords: Thinopyrum ponticum;Lr19;Yp;Yld-QTL;Segregazione distorta;Segregation distortion;AGR/07
Issue Date: 26-Feb-2010
Publisher: Università degli studi della Tuscia - Viterbo
Series/Report no.: Tesi di dottorato di ricerca. 22. ciclo
Abstract: 
Il trasferimento di geni utili da diverse specie di Triticeae ai frumenti coltivati è oggi un approccio
di miglioramento di grande potenzialità, soprattutto attraverso strategie di ingegneria cromosomica
ad elevata precisione attualmente realizzabili. Per ingegneria cromosomica si intende quel
complesso di metodologie citogenetiche atte ad ingegnerizzare il genoma di frumento con segmenti
cromosomici provenienti da altre specie di Triticeae recanti geni estranei di interesse. Queste si
possono oggi avvalere dei recenti sviluppi della “marker technology” e della genomica, che
forniscono strumenti molto efficaci per lo sviluppo di mappe genetiche e la selezione assistita,
nonché tecniche di ibridazione in situ per definire la localizzazione fisica e l’estensione del
segmento estraneo trasferito. Le relazioni di ampia sintenia e colinearità esistenti tra i genomi delle
Triticeae e l’uso di sistemi genetici per promuovere la ricombinazione tra cromosomi omeologhi,
consentono di ottenere in genere prodotti ben compensati. Certamente minimizzando l’entità della
cromatina associata al gene target si riduce la probabilità di co-trasferimento di gene negativi
(linkage drag). E' così possibile un’efficiente caratterizzazione dei prodotti ricombinanti e quindi la
selezione dei segmenti estranei più brevi.
L’applicazione dell’ingegneria cromosomica “ad elevata precisione” ha già permesso di ottenere
linee ricombinanti frumento duro- Th. ponticum (Triticina selvatica da cui sono stati “attinti” diversi
geni di interesse), ciascuna contenente sul cromosoma 7AL di frumento duro diverse quantità di
cromatina estranea provenienti dal braccio 7AgL di Th. ponticum.
Il mio progetto è consistito in uno studio della valutazione dell’impatto dell’ingegneria
cromosomica applicata al particolare caso di uno di questi ricombinanti, l’R23-1, il cui cromosoma
7AL-7AgL contiene Lr19 (gene di resistenza alla ruggine bruna), Yp (in grado di incrementare il
contenuto di pigmenti carotenoidi nell’endosperma) e da recenti studi, anche un QTL per la
produttività (Yld-QTL) e nella produzione di un nuovo ricombinante contenente i tre geni target ben
tollerato dal genoma della specie ricevente. Poiché tale linea appariva soffrire di una ridotta
trasmissibilità nella linea germinale maschile e tale aspetto poteva limitare le applicazioni nel
breeding, sono state condotte su di essa indagini per accertare l’impatto di tale cromosoma a livello
gametico e sporofitico. In effetti, da analisi condotte su cromosomi di frumento tenero recanti
diverse porzioni di 7AgL, è emersa un’anomala capacità di trasmissione (soprattutto attraverso il
polline) per alcuni di essi, ascrivibile ad un gene del Th. ponticum denominato Sd1 (Segregation
distortion), localizzato in posizione prossimale rispetto all’Lr19 e Yp.

Transfer of the useful genes from alien Triticeae species to cultivated wheats is nowadays a
breeding approach of great potential, mainly if currently feasible fine strategies of “smart”
chromosome engineering are applied. The term of “chromosome enigeering” implies complex
cytogenetic methodologies that enable to engineer the wheat genome with alien chromosome
segments carrying target alien gene(s). These can nowadays benefit from the recent developments
of marker technology and genomics, which provide highly effective tools to develop highresolution
genetic maps and apply marker-assisted selection, as well as in situ hybridization
techniques, to define the physical localization and length of the transferred segment.
Relationships of synteny and colinearity largely characterizing Triticeae genomes, as well as use of
genetic systems of promotion of recombination between homoeologous Triticeae chromosomes,
allow attainment of usually well compensated products. An expected, by reducing the amount of
alien chromatin associated to the target gene(s), the probability of co-trasfer of unwanted genes
(linkage drag), particularly if the donor species belongs to the wild genepool, is minimized. A very
efficient characterization of recombinant products is thus feasible, hence selection of those carrying
the target genes associated to the shortest possible segments.
Such a “smart” (or “precision”) chromosome engineering as been successfully and originally
applied to produce durum wheat-Th. ponticum recombinant lines (a perennial wild Triticeae
species). Such recombinant lines differ for the size of 7AgL portion transferred onto the durum
7AL.
The aims of this project were the evaluation of the impact of chromosome engineering on a
7AL/7AgL recombinant line, named R23-1, carrying Lr19 (a highly effective resistance gene to leaf
rust), Yp (able to increase endosperm and semolina carotenoid pigment content) and a potential
yield QTL (Yld-QTL) and the production of a 7AL/7AgL chromosome containing three target
genes, well tolerated by the recipient genome. Such recombinant line appears to suffer from a
reduced transmission through the male germiline. Analyses carried out on these lines to verify their
impact at gametic and sporophytic levels. Similar evidence was previously reported in studies of
common wheat recombinant chromosomes harbouring different amount of 7AgL, in which the
defect was ascribed to a Th. ponticum gene named Sd1 (Segregation distortion), located proximally
with respect to Lr19 and Yp.
Description: 
Dottorato di ricerca in Biotecnologie vegetali
URI: http://hdl.handle.net/2067/1108
Rights: If not otherwise stated, this document is distributed by the Tuscia University Open Archive under a Creative Commons 2.0 Attribution - Noncommercial - Noderivs License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.0/)
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