Food legumes genetic diversity and breeding towards sustainable agroecosystems

Global agriculture is currently facing challenges to achieve food security without compromising Earth resilience. As a result of their nutritional quality, biological nitrogen fixation capacity, and broad adaptation to agro-ecological conditions, food legumes are crucial to cope with agriculture-related societal challenges. Biodiversity significance has been recently expressed as genetic diversity between and within crops growing in the same fields, placing the intercropping practice and the use of heterogeneous population (e.g. variety mixtures, heterogeneous varieties and landraces) as key tools for the sustainable agro-ecological development of agriculture. Thus, the aim of this research is focused on translating such integrative vision into practice. In the first study, a multidisciplinary and tailor-made approach to study whole-genome pattern of co-adaptation between species and genotypes in mixtures was theorized, with the aim to integrate plant-plant interactions in scientific research and breeding programs. In the second study, classical and molecular phenotyping have been combined to characterize the genetic diversity and to disclose metabolic signatures of adaptation in a mayor staple as lentil, using a global diversity panel of 445 SSD accessions. This study pointed out the existence of geographic stratification between the Western and the Eastern gene pools. A correlation between genetic clustering, geography, and phenotypic traits (seed size, early flowering) has been detected. Furthermore, the metabolomic fingerprint reaffirmed the admixture scenario. Lastly, the third study aimed to test diverse chickpea and lentil genotypes for their microbiome diversity after an erratic rainfall event. Results supported the hypothesis that locally adapted landraces (characterized by higher intra-genotypic genetic diversity) have a high recruiting efficiency of beneficial soil microbes with positive effects on diseases tolerance.

L'agricoltura globale attualmente si trova di fronte a sfide per raggiungere la sicurezza alimentare che non compromettano la resilienza della Terra. Per la qualità nutrizionale, capacità di fissazione biologica dell'azoto e ampia adattabilità a diverse condizioni agro-ecologiche, le leguminose alimentari sono cruciali per affrontare le sfide legate all'agricoltura. L’importanza della biodiversità è stata recentemente espressa come diversità genetica tra e all'interno delle colture che crescono negli stessi campi, ponendo la pratica della consociazione e l'uso di popolazioni eterogenee (miscele di varietà, varietà eterogenee, landraces) come strumenti chiave per lo sviluppo agro-ecologico sostenibile. Perciò, l'obiettivo di questa ricerca si concentra sulla traduzione di tale visione integrativa in pratica. Nella prima ricerca è stato teorizzato un'approccio multidisciplinare per studiare il co-adattamento a livello di intero genoma tra specie e genotipi cresciuti in miscuglio, con l'obiettivo di integrare le interazioni pianta-pianta nella ricerca scientifica e nei programmi di miglioramento genetico. Nella seconda ricerca, il fenotipo molecolare è stato combinato con caratteri classici (quali fioritura e dimensione del seme) per caratterizzare la diversità genetica di un panel di 445 accessioni SSD di lenticchia provenienti da tutto il mondo. Questo studio ha evidenziato l'esistenza di stratificazione geografica tra i genepools occidentali e orientali. È stata individuata una correlazione tra struttura genetica, geografia e tratti fenotipici. Inoltre, il fingerprint metabolomico ha confermato lo scenario di admixture. Infine, la terza ricerca mirava a testare diversi genotipi di cece e lenticchia per la loro diversità del microbioma radiacale e del terreno dopo un evento meteorologico avverso. I risultati hanno evidenziato un'alta efficienza delle landraces nel reclutare batteri benefici del suolo con effetto positivo sulla tolleranza alle malattie.