Valorizzazione di genotipi coltivati e selvatici di Brassiche (Brassica oleracea L.) e pomodoro (Solanum lycopersicum L.) per aspetti innovativi relativi alla produzione e alla qualità dell'orticoltura biologica

The aim of this Ph.D. thesis was to identify the most promising genotypes of broccoli (Brassica oleracea L. var. italica Plenk) and tomato (Solanum lycopersicum L.) for their potential use as genetic bases in breeding programs to develop resilient individuals for organic farming. The study, conducted at the University of Catania (UNICT), employed a multidisciplinary approach, involving morphological characterization, assessment of agronomic performance, and determination of qualitative traits and genetic markers of interest for future breeding programs. The research was part of the H2020 project Breeding for Resilient, Efficient, Sustainable Organic Vegetable production (BRESOV), Grant Agreement No. 774244. For Brassicaceae of horticultural interest, various varieties were analysed, including commercial varieties, developing genetic lines, and crop wild relatives (CWRs). Morphological and agronomic characteristics related to inflorescence structure were evaluated, distinguishing between sprouting genotypes with numerous axillary inflorescences forming main branches and those with apical dominance characterized by a single, hypertrophic main inflorescence. Genetic traits related to inflorescence were also examined, comparing them with CWRs, which differ significantly in plant architecture and inflorescence structure. Several alleles involved in flowering induction were identified through the study of the MADH box domain, playing a role in the evolution of the examined species (B. oleracea L.), its varieties adapted to the Mediterranean environment like broccoli (B. oleracea L. var. Italica Plenk), and cauliflower (B. oleracea var. botrytis). Promising genotypes for organic cultivation and specific allelic variants involved in the development of hypertrophic inflorescence were identified based on the results. A molecular study on a subset of broccoli varieties and wild parent populations (B. macrocarpa Guss.) aimed to identify gene patterns related to water stress resistance. The research monitored variations in metabolic pathways responding to oxidative stress induced by irrigation deficit. Both B. macrocarpa populations showed significant water stress tolerance, confirmed by key metabolite analyses. The study facilitated the identification of differentially expressed genes under water stress conditions, especially in resistant and susceptible genotypes. Regarding S. lycopersicum, two experimental trials characterized 34 tomato varieties genetically, bio-morphometrically, and qualitatively. Another trial evaluated the agronomic performance of three experimental rootstocks developed in the BRESOV project. These rootstocks, produced by the Polytechnic University of Valencia (UPV), incorporated resistance genes to important viruses and soilborne diseases through traditional breeding methods. The study identified the most promising rootstocks for organic farming based on their enhanced vigour and berry production per plant. In conclusion, the three-year study identified promising genotypes of broccoli and tomato for organic farming, providing valuable information and tools for selecting varieties resilient to biotic and abiotic stresses. The research meets market demands for productivity and quality, offering insights for targeted breeding programs to enhance the yield, quality, and adaptability of broccoli and tomato crops.

La presente Tesi di Dottorato ha avuto come obiettivo l'individuazione dei genotipi più promettenti di broccoli (Brassica oleracea L. var. italica Plenk) e pomodoro (Solanum lycopersicum L.) al fine di utilizzarli come base genetica per programmi di miglioramento genetico volti alla realizzazione di individui resilienti, ai fini del loro possibile utilizzo in agricoltura biologica. Lo studio è stato condotto presso l'Università degli Studi di Catania (UNICT), utilizzando un approccio multidisciplinare che ha coinvolto la caratterizzazione morfologica delle diverse cultivar esaminate, in aggiunta alla valutazione delle loro prestazioni agronomiche, alla determinazione delle caratteristiche qualitative e dei tratti genetici di interesse per dei futuri programmi di miglioramento genetico. Il seguente elaborato, inoltre, è stato realizzato nell’ambito del progetto H2020 Breeding for Resilient, Efficient, Sustainable Organic Vegetable production (BRESOV), G.A. n. 774244. Per quanto riguarda Brassicaceae di interesse orticolo, sono state analizzate diverse varietà, tra cui varietà commerciali, linee genetiche in via di sviluppo e crop wild relatives (CWRs). Sono state valutate diverse caratteristiche morfologiche ed agronomiche riguardanti la struttura dell’infiorescenza, la quale è determinata dall’architettura morfologica della pianta. In funzione di tale caratteristica, è possibile distinguere tra i genotipi sprouting, i quali sono costituiti da numerose infiorescenze ascellari che si dipartono dall’asse principale costituendo vere e proprie ramificazioni principali, e quelli a dominanza apicale, rappresentati da un’unica, ipertrofica, infiorescenza principale. Oltre ai tratti morfologici, sono stati esaminati anche i tratti genetici relativi all’infiorescenza, comparandoli con quelli relativi alle CWRs, le quali differiscono massicciamente per l’architettura della pianta e nella struttura dell’infiorescenza. In particolare, mediante lo studio del dominio dei MADH box, sono stati identificati diversi alleli che, si suppone, svolgono un ruolo nell’induzione a fiore all’interno della specie esaminata (B. oleracea L.), delle sue varietà differenziatesi nell’ambiente mediterraneo come cavolo broccolo (B. oleracea L var. italica Plenk) e cavolfiore (B. oleracea L. var. botrytis). Sulla base dei risultati ottenuti, sono stati individuati i genotipi più promettenti ai fini della coltivazione mediante regime colturale biologico oltre all’individuazioni di specifiche variante alleliche coinvolte nello sviluppo dell’infiorescenza ipertrofica. Un ulteriore studio svolto su un subset varietale composto da due genotipi locali di cavolo broccolo e due popolazioni del parentale selvatico B. macrocarpa Guss., ha consentito inoltre di individuare i pattern genici relativi alla resistenza allo stress idrico. La prova è stata svolta al fine di monitorare le variazioni di diversi pathway metabolici coinvolti alla risposta dello stress ossidativo indotto da condizioni deficitarie di irrigazione. Entrambe le popolazioni di B. macrocarpa esaminate, hanno mostrato una notevole tolleranza allo stress idrico, comprovata dalle analisi di due metaboliti chiave nella risposta allo stress ossidativo (malonilaldeide e perossido di idrogeno). La selezione di genotipi altamente resistenti allo stress idrico, in aggiunta a quelli suscettibili, ha permesso lo svolgimento di un’analisi di espressione genica volta all’individuazione dei geni differenzialmente espressi in condizioni di stress idrico, in relazione ai controlli non stressati e soprattutto in relazione ai genotipi resistenti e suscettibili. Dai dati emersi, è possibile confermare l’elevata resistenza di B. macrocarpa allo stress idrico, il che la rende un parentale ideale per i programmi di miglioramento genetico delle Brassicacee di interesse orticolo, deputati al trasferimento dei geni di resistenza allo stress idrico. Questo obiettivo rappresenta un aspetto cruciale dell'agricoltura biologica. Per quanto riguarda S. lycopersicum, sono state analizzate diverse varietà nell’ambito di due prove sperimentali di cui la prima ha riguardato la caratterizzazione bio-morfometrica, qualitativa e genetica di 34 varietà di pomodoro afferenti alla collezione del germoplasma del Dipartimento di Agricoltura, Alimentazione e Ambiente (Di3A), dell’Università degli Studi di Catania (UNICT). Per quanto concerne la seconda prova sperimentale svolta su pomodoro, quest’ultima ha avuto come oggetto lo studio delle performance agronomiche di tre portinnesti sperimentali, prodotti nell’ambito del sopra citato progetto BRESOV. Tali portinnesti sperimentali, sono stati realizzati mediante un programma di miglioramento genetico svolto dall’Università Politecnica di Valencia (UPV), in cui sono stati introgressi su tali portinnesti inter ed intraspecifici geni di resistenza ad importanti virosi e a malattie radicali causate da patogeni tellurici. L’introgressione di tali geni è avvenuta mediante incrocio tradizionale, confermando la presenza dei geni di resistenza mediante marcatori molecolari, e stabilizzando la progenie. Sulla base dei risultati ottenuti, sono stati individuati i portinnesti maggiormente promettenti per l’agricoltura biologica i quali sono caratterizzati da una maggiore vigoria delle porzioni epigee ed ipogee, oltre ad una produttività maggiore in termini di produzione di bacche per pianta. In conclusione, lo studio svolto nell’arco dei tre anni del percorso effettuato in qualità di Dottorando di Ateneo, ha consentito l’individuazione dei genotipi più promettenti di cavolo broccolo e pomodoro per l'agricoltura biologica, fornendo utili informazioni e strumenti per la selezione di varietà resilienti a stress biotici ed abiotici, oltre a soddisfare le specifiche richieste del mercato in termini produttivi e qualitativi, nonché per lo sviluppo di programmi di miglioramento genetico mirati a migliorare la resa, la qualità e l'adattabilità delle colture di cavolo broccolo e pomodoro.