Uno studio decennale individua oltre un milione di polimorfismi sul genoma del ciliegio

La selezione del ciliegio dolce (Prunus avium L.) è progredita grazie all'identificazione di marcatori molecolari per i tratti chiave, con il sequenziamento del genoma delle principali cultivar che ha fornito una base per la selezione assistita da marcatori (MAS). Nonostante questi progressi, la risoluzione delle analisi dei locus dei tratti quantitativi (QTL) è stata inadeguata, spesso mancando le associazioni geniche. Il processo di selezione tradizionale è inoltre ostacolato da una bassa efficienza e da costi elevati.

I recenti progressi nel sequenziamento dell'intero genoma hanno rivelato quasi 2 milioni di polimorfismi a singolo nucleotide (SNP), offrendo una maggiore densità di marcatori per gli studi di associazione a livello di genoma (GWAS). Tuttavia, la distribuzione degli SNP rimane disomogenea, ostacolando l'individuazione dei geni candidati. La sfida attuale consiste nello sfruttare il potenziale dei GWAS per la mappatura ad alta risoluzione, al fine di accelerare la selezione di nuove varietà migliorate di ciliegio dolce.

In questo studio, i ricercatori hanno utilizzato innanzitutto il sequenziamento paired-end sulla piattaforma Illumina NovaSeq 6000, che ha prodotto una sequenza di 4,15 TB con singoli campioni che hanno contribuito per 7,6-36,8 Gb. Questa profondità di sequenza ha fornito un'ampia copertura del genoma, consentendo l'identificazione di 1.767.106 polimorfismi a singolo nucleotide (SNP) di alta qualità distribuiti tra le accessioni.

L'analisi approfondita mediante l'analisi delle componenti principali (PCA) e il criterio d'informazione bayesiano (BIC) ha rivelato l'assenza di sottopopolazioni o di forti raggruppamenti di campioni all'interno della struttura genetica, indicando una popolazione omogenea senza sottogruppi genetici distinti.

La diversità fenotipica è stata valutata dal 2012 al 2020, rivelando una significativa variabilità in diversi tratti, più pronunciata all'interno delle accessioni della Collezione di risorse genetiche (CGR) rispetto al materiale di riproduzione (BM). I tratti cromatici differiscono notevolmente tra le popolazioni, con le accessioni della CGR che presentano uno spettro cromatico più ampio.

Analisi della struttura di popolazione della Collection of Genetic Resources. A) Grafico dell'analisi delle componenti principali (PC) delle prime due PC identificate da 235 accessioni sulla base di 1.767.106 polimorfismi a singolo nucleotide. B) Mappa di calore di una matrice di parentela stimata con l'algoritmo di VanRaden. Entrambi i grafici sono stati generati con GAPIT.

I tratti dimensionali, come il peso dei frutti, erano più grandi nelle accessioni BM, in linea con gli obiettivi della selezione selettiva, che tende anche a caratteristiche di maturazione più tardive.

Inoltre, lo studio di associazione genomica (GWAS), utilizzando il modello FarmCPU per il suo fattore di inflazione genomica quasi ideale, ha rivelato 59 SNP associati a undici caratteri, tra cui il tempo di raccolta, in cui specifici genotipi SNP corrispondevano a maturazione precoce o tardiva. Allo stesso modo, dieci SNP sono risultati significativamente associati al colore dei frutti e della polpa, mentre chr3_23939472 e chr1_ 41003304 erano correlati sia al colore dei frutti che a quello della polpa.

Una scoperta fondamentale è stata l'identificazione di una delezione nella regione MYB10, coinvolta nella determinazione del colore del frutto, con frutti gialli che presentano una delezione omozigote in questa regione. Inoltre, lo studio ha rilevato un'associazione significativa tra 18 marcatori SNP e i tratti di compattezza dei frutti, indicando le basi genetiche per le qualità testuali delle ciliegie.

Allo stesso modo, 26 SNP sono stati associati alle dimensioni e al peso dei frutti, individuando la base genetica di questi tratti importanti dal punto di vista commerciale. Infine, sono stati identificati blocchi di aplotipi che comprendono SNP significativi coereditati all'interno della popolazione, favorendo la mappatura di geni candidati associati a tratti specifici.

Dei 141 geni candidati identificati, 104 avevano funzioni note, il che offre spunti di riflessione sul loro potenziale ruolo nel determinare i fenotipi della ciliegia. Sebbene non siano stati identificati sottogruppi nell'analisi della componente principale di 299 campioni (CGR-BM), sono state riscontrate leggere differenze tra BM e CGR. Confrontando le posizioni dei genomi, è stato confermato che 22 SNP co-localizzati con QTL noti erano associati a loci precedentemente descritti come QTL per caratteri specifici o simili.

In conclusione, è stato scoperto un totale di 1.767.106 polimorfismi a singolo nucleotide (SNP), offrendo una mappa genetica dettagliata. Nella popolazione materiale di ciliegie dolci è stata identificata una serie altamente significativa di SNPs, correlati al periodo di raccolta, al colore dei frutti, alla durezza e alle dimensioni e ai blocchi di aplotipi. Questi risultati migliorano la comprensione dei determinanti genetici dei tratti fenotipici chiave del ciliegio dolce e forniscono una solida base per i futuri sforzi di selezione.

Fonte: EurekAlert!

Immagine: High-resolution genome-wide association study of a large Czech collection of sweet cherry (Prunus avium L.) on fruit maturity and quality traits - Scientific Figure on ResearchGate. https://www.researchgate.net/figure/Collection-of-Genetic-Resources-population-structure-analysis-A-Principal-component_fig1_364394570.

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