Nuovi strumenti e approcci possono produrre scarabei della patata del Colorado – varietà resistenti

Lo scarabeo della patata del Colorado è uno dei principali parassiti del Nord America che può ridurre i raccolti di patate del 30-50% se non controllato. Il controllo si è storicamente basato sull'uso di pesticidi, ma è stato segnalato un fallimento del controllo chimico contro lo scarabeo della patata del Colorado per la maggior parte delle principali classi di insetticidi sintetici. 

dagli anni '1980 sappiamo che il Solanum chacoense, una specie selvatica originaria dell'Argentina, era molto resistente allo scarabeo della patata del Colorado. Gli allevatori statunitensi e canadesi hanno tentato di allevare varietà resistenti ai coleotteri, ma è stato difficile trasferire la forte resistenza che vediamo nei parenti selvatici in varietà commerciali. 

La Michigan State University ha seguito le orme dei precedenti ricercatori sulla patata e ha lavorato su questa sfida utilizzando strumenti di ricerca ottimizzati sulle patate da oltre un decennio, come la genomica e l'editing genetico. La combinazione di questi strumenti con una nuova strategia di allevamento che semplifica l'allevamento delle patate ci ha permesso di fare progressi che mettono a portata di mano le varietà resistenti ai coleotteri.

I parenti delle patate selvatiche producono naturalmente i propri composti insetticidi per tenere a bada parassiti come lo scarabeo della patata del Colorado. Diverse specie selvatiche producono versioni uniche di questi composti noti come glicoalcaloidi. Alcuni sono così efficaci da causare mortalità nelle larve di coleotteri della patata del Colorado e riducono drasticamente l'alimentazione degli scarabei adulti. 

La produzione di glicoalcaloidi nelle foglie di patata è vantaggiosa per allontanare i coleotteri affamati, ma il consumo di grandi quantità di glicoalcaloidi può causare effetti negativi sulla salute degli esseri umani. Per questo motivo, il professor David Douches e la studentessa Natalie Kaiser della Michigan State University stanno lavorando per creare varietà di patate che sintetizzano un potente glicoalcaloide chiamato leptina solo nelle foglie della patata.

Confrontando il profilo chimico di centinaia di singole patate con la loro resistenza allo scarabeo della patata del Colorado nel campo, Kaiser ha anche trovato firme chimiche che potrebbero prevedere le prestazioni del campo. Ciò significa che gli allevatori possono selezionare patate resistenti con una semplice misurazione chimica invece di dover condurre una prova sul campo.

I ricercatori hanno già provato a introdurre la produzione di potenti glicoalcaloidi della leptina nelle cultivar di patate e si sono scontrati con diversi ostacoli. Per cominciare, c'è un gran numero di geni che controllano i tipi e le quantità di glicoalcaloidi che ogni varietà di patate produrrà. Ottenere l'esatta combinazione di geni è fondamentale. Per monitorare meglio tutti i giocatori genetici, il laboratorio Douches ha sequenziato l'intero genoma di queste patate selvatiche resistenti allo scarabeo della patata del Colorado e quelle suscettibili al parassita. Kaiser ha quindi identificato i cambiamenti chiave a livello del DNA tra le patate che spiegavano le differenze nel loro profilo chimico e la simpatia per lo scarabeo della patata del Colorado.

Ora che conosciamo la serie di geni necessari per rendere resistente una pianta di patata, la prossima sfida è trasferire tutti i geni in una cultivar di patate con altre buone caratteristiche, come l'alto rendimento e l'aspetto desiderabile del tubero, mediante impollinazione incrociata. Questo processo è complicato dal fatto che le cultivar di patate hanno quattro copie di ogni gene. Per rendere le cose più complesse, ciascuna delle quattro copie può essere una versione diversa del gene. È difficile assicurarsi che tutte e quattro le copie dei geni a cui siamo interessati siano la copia desiderabile necessaria per la resistenza.

Una strategia per superare questo problema è lavorare con patate che hanno naturalmente solo due copie di ogni gene, note come patate diploidi. Molti parenti delle patate selvatiche, compresi i tipi resistenti allo scarabeo della patata del Colorado che producono leptine, sono diploidi. Attraverso l'autoimpollinazione, Kaiser è stata in grado di sviluppare linee diploidi consanguinee con una forte resistenza allo scarabeo della patata del Colorado. Queste linee consanguinee diploidi semplificano il processo di allevamento perché i tratti si riproducono veri, come i due genitori in un ibrido di mais. Possiamo tracciare più facilmente come vengono ereditati i geni che influenzano la resistenza dei coleotteri perché conosciamo la copia di ciascun gene che passeranno alla loro prole.

Eccitante, queste sono le prime linee consanguinee selezionate per uno specifico tratto di resistenza nella patata! Abbiamo attraversato queste linee con le nostre migliori linee di allevamento. Nel 2021, il team della MSU esaminerà la prole di questi incroci sul campo e cercherà di identificare gli individui che hanno buone caratteristiche di tubero combinate con la resistenza dei coleotteri. Lavorando con linee consanguinee, possiamo anche iniziare a combinare la resistenza dello scarabeo con altri tratti, come la resistenza alle malattie. 

Inoltre, in questo sistema genetico più semplice, il laboratorio Douches utilizza strumenti genetici moderni come l'editing del genoma. Kaiser sta usando l'editing del genoma per disattivare selettivamente i geni, uno alla volta o in combinazione, per determinare se sono necessari per la protezione delle piante. È importante notare che questo metodo disattiva i geni che sono naturalmente nella patata e non vengono introdotti geni estranei. 

Poiché lo scarabeo della patata del Colorado è noto per superare rapidamente anche i pesticidi più nocivi, Douches raccomanda di implementare questa resistenza della pianta ospite in uno schema IPM per prolungare la vita di questo prezioso strumento.

— Dave Douches, Ph.D., è professore presso il Dipartimento di Scienze delle piante, del suolo e dei microbi della Michigan State University. Ha guidato il programma di selezione e genetica delle patate MSU per più di 30 anni. Natalie Kaiser è un dottorato di ricerca. candidato nel Dipartimento di Scienze delle piante, del suolo e dei microbi della MSU, studiando la selezione e la genetica delle patate.

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