Development and characterization of durum wheat genotypes with improved nutritional and thechnological properties

Abstract

While crop production and food security are threatened by climate change , there is a need to feed an increasing population , fostering the development of new crops, more sustainable, productive, an healthy M alnutrition is still widespread in the world in developed countries the excess in calorie intake is one of the main factors responsible for the onset of non communicable diseases such as type II diabetes, obesity, cardiovascular diseases, and cancer ; in low and middle income countries the deficiencies or imbalance of essential nutrients affects more than 3 billion of people and adversely affect the body’s health and physical and cognitive functions. In this scenario, the scientific community is called to develop new varieties more productive and at the same time healthier and capable of bringing benefits to human health. The purpose of the Ph D Thesis is to develop and characterize new durum wheat genotypes with improved yield, nutritional and technological properties than current varieties. The project included three different activities. The first activity focused on modulating the content of phytic acid ( PA), an antinutrit ional compound, in durum wheat . PA is a strong chelato r of cations important for nutrition such as Ca, Fe, Zn, and Mg, making them less available . R educed bioavailability of microelements is one of the main causes of mineral deficiency in populations whose diet is largely based on the consumption of staple crops. In detail, inositol 1,3,4,5,6 pentakisphosphate 2 kinase IPK1 ), involved in the last step of the PA biosynthetic pathway and the m ultidrug resistance associated protein 3 MRP3 ), a transporter involved in the accumulation of PA in the vacuole were targeted to reduce PA content and biofortify durum wheat in essential minerals The second activity concerned the development of three dur um wheat genotypes with different properties to improve the efficiency and sustainability of milling along with the healthiness and quality of the end products. In detail, the project involve d a set of durum wheat genotypes derived from the cultivar Svevo. These genotypes were obtained by crossing mutant lines possessing high and low amylose content with a soft durum wheat . The amylose content in the kernel is associated with the resistant starch in the end product s, which plays a beneficial role similar to dietary fiber. While the soft nature of Soft Svevo facilitates the milling process and allows to obtain flour instead of semolina The last activity was focused on the improvement of the agronomic performance of the high amylose genotype Svevo SSIIa. Although it presents a good nutritional profile due to the elevated amount of amylose in the kernel , it shows negative effects in terms of grain yield. The Kronos GW2 A1 mutant, characterized by a larger grain, was crossed with the Svevo SSIIa genotype to develop durum wheat lines with improved yield and nutritional properties.

Lo sviluppo di nuove colture che siano allo stesso tempo sostenibili, produttive e sane è la sfida dell’ultimo millennio per far fronte alla continua crescita della popolazione mondiale e alla sicurezza alimentare minacciata dal cambiamento climatico. La malnutrizione è ancora un problema largamente diffuso nel mondo: nei paesi sviluppati, una dieta caratterizzata da un eccessivo apporto calorico è uno dei principali fattori che contribuisce all’insorgenza di malattie non trasmissibili tra cui diabete di tipo II, obesità, malattie cardiovascolari e cancro; nei paesi a basso e medio reddito invece, le carenze o lo squilibrio dei nutrienti essenziali colpiscono più di 3 miliardi di persone influendo negativamente sulla salute e sulle funzioni fisiche e cognitive. In questo scenario, la ricerca scientifica è chiamata a sviluppare nuove varietà che siano allo stesso tempo più produttive ed in grado di apportare benefici alla salute umana. Lo scopo del progetto di Dottorato è quello di sviluppare e caratterizzare nuovi genotipi di frumento duro che presentino proprietà nutrizionali e tecnologiche migliorate rispetto alle varietà attuali. Il progetto prevede tre differenti attività. La prima attività è stata incentrata sulla modulazione del contenuto di acido fitico (AF), un composto anti-nutrizionale, in frumento duro. AF è un forte chelante di cationi importanti per la nutrizione come Ca, Fe, Zn e Mg. La ridotta biodisponibilità dei microelementi rappresenta una delle principali cause di carenza di minerali nelle popolazioni la cui dieta è in gran parte basata sul consumo di monocolture. In dettaglio, la ricerca si è focalizzata sul silenziamento dei geni inositol 1,3,4,5,6-pentakisphosphate 2-kinase (IPK1), coinvolto nell'ultimo passaggio della via biosintetica del AF, e multidrug-resistance associated protein 3 (MRP3), un trasportatore coinvolto nell'accumulo di AF nei vacuoli al fine di ridurre il contenuto di AF e biofortificare il frumento duro in minerali essenziali. La seconda attività ha riguardato lo sviluppo di tre genotipi di frumento duro con l’obiettivo di combinare le caratteristiche nutrizionali e una migliore efficienza e sostenibilità nella macinazione della granella. Il progetto ha coinvolto un set di genotipi di frumento duro, cultivar Svevo, che sono stati ottenuti incrociando linee mutanti ad alto e basso contenuto di amilosio con un frumento duro che presenta le caratteristiche molitorie di un frumento tenero. La quantità di amilosio nelle farine è associata all'amido resistente nei prodotti finali, il quale svolge un ruolo benefico simile alla fibra alimentare. Mentre la minore durezza della cariosside di Soft Svevo facilita il processo di macinazione e permette di ottenere farina al posto della semola. L'ultima attività si è concentrata sul miglioramento delle caratteristiche agronomiche del genotipo ad alto contenuto di amilosio Svevo SSIIa. Infatti, nonostante questo genotipo presenti un buon profilo nutrizionale grazie all'elevata quantità di amilosio nella cariosside, ha rese basse. Il mutante Kronos GW2-A1-, caratterizzato da una maggiore dimensione della cariosside, è stato quindi incrociato con il genotipo Svevo SSIIa con l’obiettivo di sviluppare linee di frumento duro con migliorate qualità nutrizionali e di resa.