Valutazione degli effetti genetici ed ambientali che influenzano la produzione di seme ibrido F1 in frumento tenero

combinazioni omozigoti non possono eguagliare, nemmeno in teoria, le combinazioni 
eterozig oti. Altri sostengono che l'eterozigosi determina il "vigore" dell'ibrido in quanto 
permette una maggiore variabilità biochimica, nel caso in cui il carattere sia controllato 
dalla codominanza (espressione di entrambi gli alleli allo stesso locus). 
 
1.1.1 Eterosi nel frumento  
 
Le prime osservazioni sull’esistenza di eterosi in frumento risalgono all’inizio del 
secolo. Freeman (1919) mise in evidenza effetti eterotici per il carattere altezza della pianta 
in incroci di T. aestivum e T. durum. Da allora  molti lavori sono stati pubblicati 
sull’argomento e molteplici sono stati i caratteri considerati, quali la produzione e le sue 
componenti, lo sviluppo dell’apparato fogliare a dell’apparato radicale, e i caratteri 
qualitativi. I valori di eterosi per il carattere produzione sono spesso risultati molto elevati 
e in alcune combinazioni spesso superiori al 50% rispetto al miglior genitore o rispetto 
alle varietà testimoni. Questi valori hanno però scarso interesse pratico in quanto le 
osservazioni venivano fatte su poche piante allevate in coltura spaziata: ciò era dovuto al 
fatto che gli incroci venivano effettuati a mano, previa emasculazione delle linee 
portaseme e, pertanto, le produzioni di seme ibrido risultavano modeste.  
Solo dopo la scoperta, avvenuta agli inizi degli anni ’50, dell’esistenza di geni in 
grado di indurre maschiosterilità citoplasmatica e dei geni ristoratori della fertilità fu 
possibile preparare il seme ibrido in quantità maggiore e, quindi,  valutare i medesimi in 
parcelle ripetute e seminate a densità normale. 
In studi recenti condotti a S.Angelo Lodigiano da Borghi e Perenzin (1996) è stato 
evidenziato che gli ibridi presentano una capacità produttiva superiore a quella delle 
varietà tradizionali e che la scelta dei parentali è essenziale per l’ottenimento di elevati 
livelli produttivi. In particolare se si  considera la produzione in granella degli ibridi 
costituiti negli ultimi 10 anni a S.Angelo Lodigiano è possibile osservare un andamento 
positivo (tab. 1). Infatti mentre nel primo gruppo di 141 ibridi valutati nel 1985 non vi 
erano combinazioni in grado di superare del 10% la produzione delle varietà testimoni; 
nell’ultimo gruppo valutato negli anni 1994-95, l’11% degli ibridi ha superato la 
produzione delle varietà testimoni di oltre il 15%. 
  
1.2 METODI PER LA PRODUZIONE DEGLI IBRIDI DI FRUMENTO 
 
La produzione su larga scala degli ibridi di frumento risulta difficile poichè richiede 
l'adattamento di una pianta tipicamente autogama (per di più cleistogama) 
all'impollinazione incrociata tipica delle piante allogame.  Tre sono le procedure 
applicabili per prevenire l'autoimpollinazione: 
- l'emasculazione manuale; 
- l'uso della maschiosterilità citoplasmatica; 
- l'uso di agenti chimici capaci di indurre la sterilità maschile. 
Solo le ultime due tecniche sono potenzialmente utilizzabili in quanto l'emasculazione 
manuale, consistente nella rimozione delle antere, è una tecnica applicabile solo su un 
limitato numero di spighe e viene utilizzata per produrre combinazioni di incrocio da 
valutare nelle generazioni segreganti.  
Negli anni compresi tra il 1950 e il 1970 si sono intensificate le ricerche sui sistemi 
genetici in grado di consentire l'impollinazione incrociata e la produzione di seme ibrido: 
si è cercato, ad esempio, di sfruttare la sterilità citoplasmatica combinata con l'uso di geni 
ristoratori della fertilità (Johnson et al., 1968). Tra la fine degli anni '70 e l'inizio degli anni 
'80, le ricerche relative a questo settore  sono state fortemente ridimensionate o addirittura 
sospese (soprattutto nel settore delle compagnie sementiere private). Ci si era infatti resi 
conto che il meccanismo biologico che veniva sfruttato per produrre gli ibridi era 
complesso, rischioso e richiedeva tempi lunghi per cui gli ibridi così prodotti non 
risultavano competitivi con le varietà tradizionali, prodotte con continuità secondo le 
procedure selettive convenzionali.  
 
1.2.1 Agenti chimici sterilizzanti 
 
I gametocidi sono prodotti che interferiscono con la gametogenesi maschile o 
impediscono la disseminazione del polline oppure attivano meccanismi di 
autoincompatibilità.  
I gametocidi sono chiamati anche agenti chimici ibridizzanti (Chemical Hybridizing 
Agents, CHA) o soppressori del polline (Chemical Pollen Suppressant, CPS) e vengono 
impiegati sul frumento allo scopo di "forzare" la pianta a compiere l'impollinazione 
incrociata per la produzione di ibridi.  Il procedimento risulta estremamente semplificato 
rispetto al metodo di produzione degli ibridi di frumento mediante l'uso della 
maschiosterilità citoplasmatica.  Infatti una volta individuate le combinazioni migliori la 
produzione su larga scala si esegue seminando in campi isolati la linea maschile e la linea 
femminile a strisce alternate e irrorando con il prodotto gametocida la linea o varietà 
portaseme quando è nello stadio ottimale per il trattamento (fig. 1). 
 
1.2.2 Vantaggi offerti dai gametocidi 
 
Diversi sono i vantaggi che gli agenti chimici sterilizzanti presentano rispetto 
all'utilizzazione della sterilità citoplasmatica per la produzione di ibridi (Carver et al., 
1984):  
a) le linee da utilizzare come genitori possono essere ottenute con i metodi tradizionali 
evitando così gli anni necessari per produrre le linee maschiosterili con il metodo 
genetico; 
b) non è più necessario allevare le linee “mantenitrici” per riprodurre le linee 
maschiosterili; 
c) viene completamente eliminata la necessità di ricercare le linee ristoratrici della fertilità;  
d) qualsiasi varietà o linea può essere impiegata come genitore sia maschile che femminile 
e non è quindi più necessario il lungo lavoro di ricerca e incorporazione dei fattori di 
sterilità e dei relativi ristoratori; 
e) diviene possibile produrre simultaneamente centinaia di combinazioni ibride; 
f) una volta individuata la combinazione migliore è possibile riprodurla immediatamente 
su scala commerciale; 
g) la quantità di seme ibrido prodotto può essere più facilmente programmata in base alle 
richieste di mercato. 
 
1.2.3 Requisiti che dovrebbe possedere un gametocida 
 
Secondo Virmani et al. (1983) le caratteristiche ideali che un buon agente 
sterilizzante dovrebbe possedere sono: 
a) alta selettività, che consenta di indurre solamente la sterilità maschile senza effetti 
collaterali sulla fertilità femminile; 
b) lunga persistenza, tale da sterilizzare sia la spiga del culmo principale sia quella dei 
culmi di accestimento; 
c) ampio periodo di efficacia per garantire l'utilizzazione su vaste superfici o su culture a 
diverso stadio di sviluppo; 
d) assenza di effetti fitotossici; 
e) capacità di rendere non funzionale il polline, cioè, il gametocida non deve 
semplicemente rendere le antere indeiscenti con polline vitale. 
 
 
1.3 PRODUZIONE DEL SEME IBRIDO DI FRUMENTO 
 
Per produrre il seme ibrido è necessario modificare il sistema riproduttivo normale 
del frumento, basato sull'autofecondazione.  Vi sono una serie di fasi, durante la fioritura 
e la fecondazione, che sono critiche per la produzione di seme ibrido (Linskens, 1967; 
Stanley et al., 1974).  
Bisogna conoscere a fondo la biologia del polline e dello stigma. 
 
1.3.1 Struttura generale dell’infiorescenza del frumento  
 L'infiorescenza del frumento è una spiga composta costituita da un asse principale 
detto rachide, che porta un numero variabile di spighette. Ogni spighetta ha un asse 
piuttosto corto detto, rachilla, sul quale le glume sono disposte alternativamente ai lati 
opposti.  Le due glume in basso sono sterili, le altre sono fertili e contengono i fiori, in 
numero da due a cinque per spighetta. Ogni fiore è costituito da due formazioni 
membranacee, le glumelle, che racchiudono l’androceo e il gineceo. Delle due glumelle 
quella inferiore o basale o lemma, può essere mutica o provvista di una resta più o meno 
lunga (3 -8 cm), quella superiore è generalmente mutica ed è chiamata palea. Tra la lemma 
e la palea si trovano gli organi sessuali: tre stami ed un pistillo. Il pistillo è costituito da un 
ovario supero monocarpellare con due corti stili e stigmi piumosi (fig. 2). Alla base del 
gineceo sono presenti due piccole squame (lodicole). Uno o più fiori superiori della 
spighetta sono imperfetti o sterili. Da una a quattro spighette di una spiga sono 
normalmente sterili.  
 
1.3.2 Sistema riproduttivo 
 
Il T. aestivum (frumento tenero) ha un alto grado di autofecondazione (fino al 
99%).  Le principali cause d'incrocio sono una forte proteroginia, oppure condizioni 
climatiche avverse (Percival, 1921). Lo sviluppo, dalle antere indifferenziate ai granuli 
pollinici maturi, si compie in circa tre settimane (Goss, 1968). Successivamente le 
lodicole acquistano turgidità idratandosi e spingono la lemma e la palea a parte 
provocando una lieve "prima apertura" del fiore (3-4 mm circa) che determina 
l'esposizione dello stigma. Secondo Anslow (1963), contemporaneamente si estendono i 
filamenti degli stami fino ad oltre 10 mm di lunghezza e si verifica l'estrusione delle antere, 
la deiscenza e il conseguente rilascio del polline nel fiore e sullo stigma. Dopo 
l'autoimpollinazione, circa l'80% del polline viene rilasciato fuori dal fiore.  La durata della 
"prima apertura" è variabile ma strettamente limitata nel tempo. Leighty et al. (1924) 
hanno trovato un intervallo di 11-66 minuti in una singola popolazione di frumento in cui 
la media era di circa 25 minuti.  Dopo il collassamento delle lodicole alla fine della "prima 
apertura" il fiore si chiude e il pistillo inizia ad espandersi (Molnàr et al., 1980). I fiori di 
frumento non fecondati si riaprono circa 3 giorni dopo l'antesi grazie al rigonfiamento 
dell'ovario e si manifesta un'esposizione ulteriore dello stigma (fig. 3). I fiori esterni di una 
spighetta maturano prima e producono granuli pollinici più fertili e di maggiori dimensioni 
(Ovcinnikov, 1951; 1952).  Le spighette della zona centrale fioriscono per prime seguite 
da quelle della zona superiore ed infine da quelle della zona inferiore.  
 
1.3.3 Sistema riproduttivo modificato per la produzione di seme ibrido  
 
Wilson (1968) ha suggerito che la natura della fioritura nel frumento indica che 
l’impollinazione incrociata era prevalente nelle forme ancestrali e può essere ancora 
operativa nelle forme attuali. E’ probabile, tuttavia, che durante l’era moderna del 
miglioramento del frumento ci sia stata una pressione selettiva contro le strutture fiorali 
che favorivano l’impollinazione incrociata (Johnson et al., 1967). Per il successo 
dell’impollinazione incrociata ad opera del vento nel frumento si devono verificare tre 
condizioni: 
 le antere devono essere deiscenti e il rilascio di polline abbondante (Knox et al., 1986); 
 il polline deve possedere le caratteristiche idonee a facilitare il trasporto fino al genitore 
femminile (Niklas, 1985); 
 lo stigma deve fuoriuscire dalle glumelle (De Vries, 1971). 
 Complessivamente il sistema riproduttivo modificato richiede perché avvenga 
l’impollinazione incrociata che: 
 il fiore sia aperto; 
 lo stigma sia esposto e recettivo; 
 l’antera rilasci il polline fuori dal fiore; 
 il vento sia sufficiente per il trasporto del polline; 
 il polline sia facilmente trasportabile. 
  
1.4 POLLINE DEL FRUMENTO E FECONDAZIONE INCROCIATA 
  Sebbene un granulo pollinico per ogni stigma sia sufficiente a compiere la 
fecondazione, secondo Ottaviano et al. (1989), la percentuale di allegagione in diverse 
specie (calcolata come rapporto tra la produzione di seme ottenuta dal maschiosterile e 
quella del controllo fertile) è positivamente correlata con il numero di granuli pollinici che 
arrivano sullo stigma (tab. 2).  
 
1.4.1 Principi fisici dell’impollinazione nel frumento 
 
La struttura del granulo pollinico varia al variare delle condizioni ambientali e 
influenza l'efficienza dell'impollinazione incrociata; ad esempio, l'idratazione del polline 
cambia prima, durante e dopo l'antesi alterando il trasporto a distanza.  Dopo la 
deiscenza dell'antera si possono distinguere tre fasi: 
 l'entrata del granulo pollinico nella corrente d'aria; 
 il trasporto del granulo pollinico nella corrente d'aria; 
 l'impatto del granulo pollinico con lo stigma del genitore femminile. 
Secondo Gregory (1973), Niklas (1985), e Crane (1986) la distanza di trasporto del 
polline del frumento e l'efficienza della fecondazione incrociata sono controllati da fattori 
biofisici. Uno studio sull'aerodinamica del granulo pollinico del frumento ha evidenziato 
una velocità di caduta sulla stigma di 55-60 cm/sec. 
Tale velocità risulta molto alta soprattutto se viene confrontata con quella del 
polline di altre specie ad impollinazione incrociata naturale, ad esempio per l'erba è di 3 
cm/sec (Dowding, 1987). Tale autore suggerisce inoltre che il polline del frumento non 
presenti caratteristiche ideali per l’impollinazione incrociata su larga scala. 
 
1.4.2 Distanza di dispersione del polline 
 
La distanza di dispersione del polline è influenzata dalla dimensione, densità e 
caratteristiche di superficie dei granuli (Stanley et al., 1974), e dalle condizioni climatiche 
che prevalgono all'antesi.  
La maggior parte del polline rimane intorno alle piante di origine, entro 10 metri, 
anche se ci sono evidenze di trasporto a distanze considerevoli, fino a 60 metri.  
Le allegagioni più elevate, vicine all'80%, sono state ottenute quando i genitori 
femminili erano sottovento rispetto agli impollinatori (Pickett, 1987).  
1.4.3 Effetti del clima 
 
Le condizioni climatiche ottimali per la disponibilità del polline secondo Liem 
(1967) sono quelle di tempo secco e soleggiato con vento debole. 
Le condizioni ambientali possono determinare variazioni annuali considerevoli nella 
quantità di polline prodotta e dispersa, come risulta da uno studio condotto sulle 
graminacee da Andersen (1980). 
Secondo Emecz (1962) tale influenza può essere addirittura superiore a quella del 
genotipo.  Lo stesso autore sottolinea l'importanza, durante l’antesi, delle relazioni 
acquose (scambi di acqua del granulo pollinico con la pianta madre e con l’aria) della 
temperatura dell'aria, dell'intensità luminosa e del vento. 
 
1.4.4 Relazioni acquose 
 
I livelli di umidità sono importanti per il rilascio, il trasporto e la successiva 
germinazione del granulo pollinico (Heslop et al., 1979a; 1987). 
La pioggia è una delle maggiori cause di variabilità nella fecondazione incrociata; in 
particolare, Wilson (1984) afferma che l'estrusione dell'antera è un fenomeno molto 
suscettibile agli stress idrici. Anche l'estensione del filamento dello stame dipende dalla 
quantità di acqua disponibile (Heslop et al., 1979a) e può essere ridotta se il contenuto 
idrico è basso (Schmid, 1976). 
Secondo Heslop et al. (1979a) il grado di idratazione delle piante immediatamente 
prima dell'antesi influenza il contenuto idrico del granulo pollinico. Questi autori 
affermano che il polline e l'antera sono secchi alla deiscenza in seguito alla perdita di 
acqua che si verifica nelle 24-48 ore che precedono l'antesi. La perdita di umidità continua 
rapidamente mentre il polline è trasportato dalla corrente d'aria e il suo grado di 
disseccamento dipende dalla temperatura e dall’U.R. dell'aria come è stato mostrato per il 
polline del mais da Barnabàs et al. (1976). 
Una carenza di U.R. nell'aria porta ad un polline più leggero per l'effetto del 
disseccamento, migliora quindi l'aereodinamica e il trasporto tuttavia determina anche una 
perdita di vitalità e una riduzione della germinazione (Heslop et al., 1979b). 
Come risulta da studi condotti da Emecz (1962), la pioggia tende a far ritardare 
l'antesi, a ridurre l'estrusione delle antere, a diminuire la vitalità e il trasporto del polline e 
determina quindi una diminuzione dell’impollinazione incrociata.  
L'acqua è essenziale per la reidratazione e successiva germinazione del granulo 
pollinico (Heslop et al., 1979b). Infatti la reidratazione avviene mediante il trasferimento di 
acqua dallo stigma al granulo pollinico; fenomeno che si verifica molto rapidamente e la 
cui velocità aumenta con il grado di disseccamento del polline. Il frumento, essendo 
autogamo, non è stato selezionato per la tolleranza alle condizioni sfavorevoli durante la 
fioritura. 
 
1.4.5 Temperatura 
 
La temperatura ha un'influenza sul periodo e sulla durata della fioritura (Emecz, 
1962).  Le temperature elevate hanno un effetto disseccante sul polline; accelerano il 
periodo di fioritura e la crescita del tubetto pollinico; inoltre secondo studi condotti sul 
mais da Schoper et al. (1987) le alte temperature riducono l'estrusione delle antere e la 
germinazione del polline. In condizioni asciutte viene ridotta anche la vitalità del polline 
(Lucken, 1986).  
Le basse temperature sono nocive per il regolare sviluppo del polline e 
impediscono l'estrusione delle antere.  La temperatura controlla anche il momento del 
giorno in cui viene rilasciata la maggior quantità di polline; ad esempio, in Olanda, De 
Vries (1972) ha evidenziato due picchi giornalieri del rilascio del polline, il primo, più 
abbondante tra le 8 e le 11 e il secondo meno pronunciato tra le 15 e le 18 (fig. 4). 
 
1.4.6 Intensità luminosa