Una nuova popolazione di Nested Association Mapping (NAM) e strumenti genomici per la selezione del grano duro

Climate change poses a critical challenge to global wheat production, threatening food security and agricultural sustainability. Durum Wheat, a strategic crop for Italy is cultivated in the Mediterranean, one of the geographical regions most endangered by climate change. Understanding the genetic bases of yield stability under variable environmental conditions is therefore essential to optimize breeding programs and ensure resilient crop performance. Thus, this study focuses on unraveling the genetic architecture of yield and its component traits in durum wheat (Triticum turgidum ssp. durum) by characterizing a Nested Association Mapping (NAM) population, together with genomic knowledge about a family of transcription factors involved in adaptation to the environment. Seeds of a large durum wheat NAM had been produced at Research Centre for Cereal and Industrial Crops (CREA – CI, Foggia) by crossing 31 genetically diverse donor parents with a recurrent parent “Senatore Cappelli,” resulting in approximately 3,720 F7 recombinant inbred lines (RILs) (around 120 lines per family). During the Doctoral project, phenotypic evaluations were conducted over two seasons (2023 and 2025) for spike and yield-related traits, including spike length (SL), spike weight (SW), spikelet number per spike (SNS), fertile spikelet number per spike (FSNS), kernel number per spike (KNS), kernel weight per spike (KWS), kernel per spikelet (KPS), spikelet density (SD), plant height (PH), days to heading (DTH), and grain yield (GY). Genotyping was also performed using the Thermo fisher wheat 5K SNP panel. Following stringent quality control, 1,745 high-quality SNP markers were retained for downstream analysis. Trait values were adjusted to calculate Best Linear Unbiased Estimators (BLUEs), which served as phenotypic inputs for the NAM-GWAS (NAM-Genome Wide Association Study) implemented in SAS. Genome-wide association analysis was conducted using a multiple linear regression model that estimates individual SNPs together with quantitative cofactors controlling population structure and genetic background. Significant marker-trait associations (MTAs) were anchored to the durum wheat reference genome to identify candidate genes underlying trait variation. Ongoing analyses focus on completing GWAS for all measured traits, integrating recently collected Infratec-based grain quality parameters (protein and gluten content), and identifying significant MTAs across agronomic and quality traits. The combined dataset is expected to provide comprehensive insights into the genetic regulation of agronomic performance and grain quality in durum wheat. Overall, this study demonstrates the effectiveness of the NAM approach combined with advanced statistical modeling for elucidating the genetic basis of complex agronomic traits and providing a foundation for future genomic-assisted improvement of climate resilient durum wheat. In parallel, complementary bioinformatics analysis of the CONSTANS, CONSTANS-like, and TOC1 (CCT) gene family was conducted using the high-quality Svevo v2.0 durum wheat reference genome to investigate its identification, genomic organization, and development expression patterns, offering insights into the evolution and functional diversification of this relatively large family of transcription factors involved in adaptation (flowering, vernalization stress adaptation) in durum wheat.

Il cambiamento climatico rappresenta una sfida critica per la produzione globale di grano, minacciando la sicurezza alimentare e la sostenibilità agricola. Il grano duro, coltura strategica per l'Italia, è coltivato nel Mediterraneo, una delle aree più a rischio. Comprendere le basi genetiche della stabilità della resa in condizioni ambientali variabili è essenziale per ottimizzare i programmi di miglioramento genetico e garantire una produzione resiliente. Questo studio si concentra sull'architettura genetica della resa e sui suoi tratti costitutivi nel grano duro (Triticum turgidum ssp. durum) caratterizzando una popolazione NAM (Nested Association Mapping) e approfondendo la conoscenza genomica di una famiglia di fattori di trascrizione coinvolti nell'adattamento ambientale. Semi di un'ampia popolazione di grano duro NAM sono stati prodotti presso il CREA-CI di Foggia incrociando 31 genitori donatori geneticamente diversi con il genitore ricorrente "Senatore Cappelli", ottenendo circa 3.720 linee consanguinee ricombinanti F7 (RIL) (~120 per famiglia). Nel progetto di dottorato, sono state condotte valutazioni fenotipiche in due stagioni (2023 e 2025) per i caratteri della spiga e della resa: lunghezza della spiga (SL), peso della spiga (SW), numero di spighette per spiga (SNS), spighette fertili per spiga (FSNS), numero di cariossidi per spiga (KNS), peso della cariosside per spiga (KWS), cariossidi per spiga (KPS), densità delle spighette (SD), altezza della pianta (PH), giorni alla spigatura (DTH) e resa in granella (GY). La genotipizzazione è stata eseguita con il pannello Thermo Fisher Wheat 5K SNP. Dopo un rigoroso controllo di qualità, sono stati selezionati 1.745 marcatori SNP di alta qualità per l'analisi. I valori dei caratteri sono stati aggiustati per calcolare i migliori stimatori lineari imparziali (BLUE), che sono stati utilizzati come input fenotipici per il NAM-GWAS (NAM-Genome Wide Association Study) implementato in SAS. L'analisi di associazione a livello genomico è stata condotta con un modello di regressione lineare multipla che stima gli effetti dei singoli SNP insieme a cofattori quantitativi controllando la struttura della popolazione e il background genetico. Associazioni marcatore-carattere (MTA) significative sono state ancorate al genoma di riferimento del grano duro per identificare i geni candidati alla base della variazione dei caratteri. Le analisi in corso si concentrano sul completamento del GWAS per tutti i caratteri misurati, integrando i parametri di qualità della granella basati su Infratec (proteine e glutine) e identificando MTA significative nei caratteri agronomici e qualitativi. Il set di dati combinato fornirà informazioni sulla regolazione genetica delle prestazioni agronomiche e della qualità della granella nel grano duro. Nel complesso, questo studio dimostra l'efficacia dell'approccio NAM, combinato con modelli statistici avanzati, nel chiarire le basi genetiche di caratteri agronomici complessi e nel fornire una base per il futuro miglioramento genetico assistito dalla genomica di grano duro resiliente al clima. Parallelamente, è stata condotta un'analisi bioinformatica complementare della famiglia di geni CONSTANS, CONSTANS-like e TOC1 (CCT) utilizzando il genoma di riferimento v2.0 del grano duro Svevo di alta qualità per studiarne l'identificazione, l'organizzazione genomica e i modelli di espressione evolutiva, fornendo informazioni sull'evoluzione e la diversificazione funzionale di questa famiglia di fattori di trascrizione coinvolti nell'adattamento (fioritura, risposta alla vernalizzazione) nel grano duro.