Gli scienziati mappano il genoma del luppolo e individuano barriere alla selezione

Gli scienziati hanno realizzato le mappe genomiche più dettagliate finora del luppolo, la pianta che conferisce alla birra gran parte della sua amarezza e del suo aroma, e hanno scoperto che i cromosomi europei e nordamericani possono restare sorprendentemente distinti anche dopo generazioni di incroci.

Lo studio, pubblicato mercoledì su Nature Communications, ha analizzato la cultivar ibrida di luppolo Apollo a livello di cromosoma e ha ricostruito quali parti del suo genoma provenissero dal luppolo europeo e quali dal luppolo nordamericano. I ricercatori hanno rilevato che alcuni cromosomi delle due linee si ricombinano poco o per nulla, un risultato che aiuta a spiegare perché la selezione del luppolo sia stata difficile e perché tratti desiderabili come il contenuto di acidi amari possano essere difficili da prevedere.

Il luppolo è uno degli ingredienti chiave della birra. I suoi alfa-acidi determinano l’amarezza, mentre altri composti contribuiscono all’aroma e aiutano a preservare la bevanda. Per decenni i selezionatori hanno incrociato luppoli europei e nordamericani per combinare i tratti di entrambe le linee, ma la base genetica di questi miglioramenti è rimasta poco chiara.

Il nuovo lavoro offre ai selezionatori un riferimento che prima non avevano: assemblaggi a fase separata, a livello di cromosoma, che distinguono i due set di cromosomi in una pianta ibrida e ne identificano l’ascendenza. Un aspetto importante, perché la maggior parte delle cultivar moderne di luppolo non sono linee europee pure, ma ibridi complessi discendenti da incroci ripetuti tra piante europee e nordamericane.

Utilizzando il sequenziamento long-read e dati Hi-C, i ricercatori hanno assemblato il genoma di Apollo e poi hanno impiegato marcatori basati sulle ripetizioni per assegnare l’ascendenza lungo i cromosomi. Hanno scoperto che alcune coppie di cromosomi erano interamente europee o interamente nordamericane, mentre altre presentavano ascendenza mista o ampi segmenti introgrediti. In diversi casi, le due linee ancestrali restavano fortemente divergenti, con un’identità di sequenza intorno al 75%–78%, ben al di sotto di quanto ci si aspetterebbe se la ricombinazione le avesse mescolate liberamente nel tempo.

Il team ha inoltre testato la ricombinazione in tre popolazioni di selezione. In due di esse ha osservato poca o nessuna ricombinazione tra cromosomi europei e nordamericani, rendendo impossibile costruire mappe di linkage convenzionali. Nella terza popolazione la ricombinazione era presente, ma comunque limitata. Il quadro suggerisce che in alcuni incroci di luppolo i selezionatori possano trasferire cromosomi interi o grandi blocchi cromosomici invece di rimescolare i geni in modo fine.

Questo risultato potrebbe cambiare il modo in cui si seleziona il luppolo. Se la ricombinazione è soppressa su ampie porzioni del genoma, allora la selezione per amarezza, aroma o resistenza alle malattie potrebbe richiedere strumenti genomici capaci di tracciare direttamente l’ascendenza dei cromosomi invece di affidarsi soltanto ai caratteri visibili in campo.

I ricercatori hanno anche riferito che gli alleli favorevoli provenienti sia dai luppoli europei sia da quelli nordamericani possono avere effetti additivi sul contenuto di alfa-acidi, il principale composto amaricante usato nella produzione della birra. Questo offre ai selezionatori una strada più chiara per sviluppare varietà con una chimica più prevedibile.

Il lavoro arriva mentre i coltivatori di luppolo devono fare i conti con la pressione del cambiamento climatico. Studi precedenti hanno previsto cali della resa e del contenuto di alfa-acidi in Europa entro la metà del secolo, alimentando preoccupazioni per la produzione di birra e per gli agricoltori che dipendono da raccolti stabili di luppolo. La nuova risorsa genomica potrebbe contribuire ad accelerare lo sviluppo di varietà più adatte a condizioni più calde, preservando al tempo stesso i profili aromatici richiesti dai birrai.

La selezione del luppolo ha a lungo fatto affidamento su tentativi ed errori perché la genetica della pianta è insolitamente complessa. Le piante femminili producono le infiorescenze utilizzate nella produzione della birra, ma il luppolo è dioico, cioè fiori maschili e femminili crescono su piante separate. Questo complica i programmi di selezione e rallenta la scelta dei caratteri. I nuovi assemblaggi genomici dovrebbero rendere più facile identificare i geni utili legati ad amarezza, aroma e resistenza alla peronospora.

Lo studio si inserisce anche in un più ampio sforzo per capire come le piante domesticate conservino o perdano diversità genetica quando vengono incrociate tra continenti diversi. Nel luppolo, questa diversità sembra essere al tempo stesso una forza e un vincolo: ha contribuito a creare cultivar moderne produttive, ma potrebbe anche limitare quanto facilmente i selezionatori riescano a combinare i tratti attraverso il solo incrocio tradizionale.