La genetica del gusto: il caso del mirtillo

da: Zoë Migicovsky, Tasting improvement in fruit flavor using genomics (New Phytologist)

Tutti noi abbiamo avuto l’esperienza di scegliere un bel frutto, di prenderne il primo morso e di rimanere tristemente delusi dal sapore. Mentre la selezione della frutta per i tratti di produzione come la resa, l’uniformità e la resistenza alle malattie è una componente essenziale di qualsiasi programma di selezione, il sapore non può essere ignorato.

I consumatori hanno un legame diretto con la frutta che consumano, e il successo futuro di molte colture frutticole dipende dalla loro capacità di soddisfare le preferenze dei consumatori. Infatti, mentre i primi acquisti possono essere basati sull’aspetto, gli acquisti ripetuti sono spesso guidati da attributi interni come il sapore.

Il sapore è un tratto complesso e spesso sfuggente: è l’effetto combinato degli aromi volatili rilevati dal sistema olfattivo insieme agli zuccheri e agli acidi rilevati dalle papille gustative che vengono percepiti insieme nel momento in cui un frutto viene consumato.

La selezione per il sapore di frutta può essere facilitata dal breeding assistito da genomica, ma è necessario identificare prima i marcatori genetici associati ai tratti.

Nell’articolo recentemente pubblicato su New Phytologist, Ferrão et al. (2020; doi: 10.1111/nph.16459) eseguono studi di associazione genomica (GWAS) di composti organici volatili (COV) e identificano i loci candidati coinvolti nel sapore di mirtillo, il primo passo nello sviluppo di un kit di strumenti genomici per il miglioramento del sapore di mirtillo.

L’uso di marcatori genetici può aiutare a garantire che gli attributi del sapore non vengano trascurati durante il processo di breeding.

Molte colture di frutta sono specie perenni con una lunga fase giovanile che richiede diversi anni di attesa per la pianta per stabilire una quantità di frutta sufficiente per la valutazione da parte del breeder. Ad esempio, nel mirtillo, la produzione di frutta può richiedere dai tre ai quattro anni dopo l’impianto. Una volta che i frutti appaiono, un breeder può selezionare solo poche piantine, tra le centinaia o migliaia che sono state piantate, per un’ulteriore valutazione. L’identificazione dei marcatori genetici associati al sapore della frutta può consentire ai breeder di selezionare in base a questi tratti nella fase di semina, migliorando sia l’efficienza che il costo, soprattutto nelle colture di frutta perenne con fasi giovanili lunghe (Edge-Garza et al., 2015).

Accoppiando la selezione assistita da marcatori (MAS) con i metodi di breeding convenzionali, i selezionatori migliorano la loro capacità di selezionare per ottenere frutti più saporiti.

Per scoprire i marcatori genetici per la MAS o i loci candidati per la modificazione genetica del sapore della frutta, è necessario innanzitutto eseguire una mappatura genetica utilizzando i tratti del sapore della frutta.

Tradizionalmente, il sapore di frutta veniva valutato utilizzando panel sensoriali opportunamente formati. Anche se questi possono essere uno strumento prezioso per la valutazione del sapore, tali panel richiedono molte risorse e spesso si limitano a testare un piccolo numero di adesioni a causa del loro costo elevato e della loro bassa produttività.

Recentemente, uno studio sulla mela si è avvalso di un panel sensoriale formato per esaminare 78 cultivar di mela in due anni e ha collegato le informazioni con i dati genetici per il GWAS, identificando nuove regioni per la qualità della frutta (Amyotte et al., 2017).

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Nel GWAS, una popolazione ampia e diversificata è auspicabile perché, tra le altre ragioni, aumenta il potere statistico e il tasso di ricombinazione tra le adesioni valutate. Avere un numero maggiore di eventi di ricombinazione catturati all’interno di un gruppo di individui aumenta la risoluzione della mappatura e di conseguenza la probabilità che i marcatori genetici identificati siano localizzati vicino al luogo causale. Tuttavia, l’utilizzo di pannelli sensoriali addestrati per valutare anche centinaia di campioni non è spesso fattibile.

Per aumentare il numero di adesioni valutate rispetto ai panel sensoriali, alcuni recenti sforzi di ricerca si sono invece basati sull’uso di tecniche più efficaci in termini di costi e ad alta produttività che forniscono misurazioni quantitative degli attributi di sapore. Ad esempio, gli studi sulla mela (Kumar et al., 2015; Larsen et al., 2019) e sul pomodoro (Zhang et al., 2015; Zhao et al., 2019) hanno utilizzato la gascromatografia-spettrometria di massa (GC-MS) per misurare i volatili ed eseguire il GWAS. Accoppiando i dati dei COV con i GWAS di diverse adesioni, tali studi aumentano la risoluzione della mappatura e sono adatti per identificare i marcatori genetici associati al sapore di frutta. Mentre la raccolta e l’analisi di tali tratti multidimensionali è spesso onerosa, esempi di successo finora forniscono la prova del potenziale per il GWAS del sapore di frutta in altre colture.

Il lavoro di Ferrão et al. fornisce il primo esempio di GWAS per i VOC in mirtillo. Il successo di questo lavoro è dovuto in parte alla disponibilità di un nuovo genoma di riferimento, che ha portato a un sostanziale miglioramento della ricerca genetica (Benevenuto et al., 2019).

Analogamente al lavoro su mela e pomodoro, Ferrão et al. hanno utilizzato il GC-MS per catturare i COV, valutando le variazioni tra 886 adesioni di 92 famiglie di COV e collegando queste informazioni con oltre 70 000 polimorfismi a singolo nucleotide per eseguire il GWAS.

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Sono state identificate associazioni significative per 11 COV, che coprono da una a cinque regioni genomiche, indicando che ci sono alcuni loci di grande effetto per questi tratti.

All’interno di queste regioni genomiche, gli autori identificano numerosi geni candidati che possono essere responsabili della variazione dei COV.

I risultati per gli 11 COV con un’associazione significativa identificata nel GWAS sono stati convalidati in una popolazione di test contenente 552 individui aggiuntivi. Questi individui sono stati genotipizzati e fenotipizzati utilizzando gli stessi metodi. Sono stati testati tre metodi per il breeding assistito da genomica: selezione genomica (GS), GS con marcatori significativi da GWAS montati come effetti fissi, e MAS con solo i marcatori significativi GWAS come effetti fissi.

In questo studio, è stato dimostrato che il MAS da solo può essere sufficiente per la previsione di alcuni tratti di sapore.

Richiedendo meno marcatori genetici rispetto al GS, l’approccio MAS riduce anche il costo del breeding assistito da genomica.

Ma come facciamo a sapere che i volatili del mirtillo che si possono prevedere utilizzando la MAS sono importanti per i consumatori? Il lavoro di genomica svolto da Ferrão et al. è stato integrato da un’analisi sensoriale storica di 24 cultivar valutate nell’arco di sei anni, che ha determinato il ruolo cruciale dei COV nella percezione del sapore della frutta da parte dei consumatori e il valore potenziale dei marcatori genetici che facilitano il breeding per la variazione dei COV.

I COV come 1-esanolo, 2-undecanone, (E)-2-esanale ed eucaliptolo sono risultati tutti importanti per la preferenza dei consumatori. Lavori precedenti hanno anche scoperto che la percezione sensoriale dei composti volatili contribuisce alla preferenza dei consumatori per il mirtillo (Gilbert et al., 2015).

Mentre Ferrão et al. propongono il primo uso di MAS per il sapore nel mirtillo, la tecnica è stata adottata in alcune altre colture di frutta, tra cui l’uva (Emanuelli et al., 2014), la pesca (Eduardo et al., 2014) e la fragola (Cruz-Rus et al., 2017). Il sapore è un tratto multiforme e la fenotipizzazione dei COV in grandi popolazioni riproduttive può essere proibitiva in termini di costi. Questi test del DNA forniscono chiari esempi dell’architettura genetica relativamente semplice di almeno alcune caratteristiche del sapore. I test del DNA che predicono importanti COV attraverso diversi germoplasmi nella frutta sono incredibilmente preziosi per facilitare la selezione di nuove cultivar più saporite.

Con il continuo sviluppo delle risorse genomiche, compresa la presenza e la qualità dei genomi di riferimento annotati per le colture orticole, vi è una crescente capacità di identificare i marcatori genetici o anche le varianti causali associate al sapore della frutta. L’identificazione di tali candidati può anche essere trasferibile attraverso colture minori, dove tali risorse possono rimanere indietro.

Mentre il breeding assistito da genomica del sapore della frutta continuerà ad essere abbinato alla valutazione tradizionale da parte del breeder, l’uso di marcatori genetici può aiutare a garantire che gli attributi del sapore non vengano trascurati durante il processo di breeding.

In definitiva, una migliore comprensione dell’architettura genomica alla base del sapore della frutta non solo gioverà ai programmi di breeding, ma porterà anche a un miglioramento della qualità della frutta, consentendo ai consumatori di assaggiare i risultati.

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