Genetic Diversity in Food Legumes: Novel Approaches of Investigation

Genetic diversity studies allow us to catch the existing genomic variation among and within populations and are crucial in guiding our understanding of crops’ adaptation, facilitating their use, exploitation, and improvement. For this reason, investigating genetic diversity is particularly crucial in addressing contemporary and future challenges related to global warming and food security. This aspect is even more critical for legume crops due to their significant nutritional and agronomic importance. However, genetic diversity investigations often face several challenges. These include the complexity of analyzing large and highly repetitive genomes in studies involving extensive germplasm collections and the effective utilization of museum materials, such as herbarium specimens. In this thesis, our objective was to address these challenges specifically in legume crops by implementing specific approaches. To achieve this, two different studies are proposed, in the first a genetic diversity study was conducted on an Italian lentil landrace population genotyped using a CRISPR-Cas9-based genome depletion system. In this case, an innovative method for genotypic characterization was combined with the investigation of the genetic diversity of the population, which also allowed us to explore signs of adaptation to high altitudes. Additionally, a comprehensive literature review was performed to assess the challenges and opportunities associated with employing herbarium specimens in genetic studies. Our findings contribute to advancing solutions to these challenges, for a more effective exploration and utilization of genetic diversity in legume crops.

Studiare la diversità all’interno delle popolazioni rappresenta un aspetto importante al fine di comprendere come le specie di interesse agricolo si siano adattate all’ambiente, facilitandone così lo sfruttamento e miglioramento. Di conseguenza, indagare la diversità genetica risulta particolarmente importante nell'affrontare le sfide odierne e future legate al riscaldamento globale, il rapido cambiamento degli agro-ambienti e più in generale quelle relative alla sicurezza alimentare. Questo aspetto acquisisce maggiore interesse se si vanno a considerare le specie di legumi ad uso alimentare, a grazie al loro significativo valore nutrizionale e agronomico. Tuttavia, indagare la diversità genetica presenta molteplici sfide. Tra queste risultano rilevanti l’inclusione e l’analisi di grandi genomi altamente ripetuti in studi che coinvolgono ampie collezioni di germoplasma, così come l’inclusione di materiali preservati nel tempo come i campioni d’ erbario. In questo lavoro di tesi, il nostro obiettivo è stato quello di, attraverso l’applicazione di approcci innovati, provare ad affrontare e rispondere a queste sfide. Per raggiungere gli obbiettivi preposti, sono stati implementati due diversi studi. Nel primo, è stato condotto uno studio sulla diversità genetica di una popolazione di lenticchie italiane proveniente da Castelluccio di Norcia (PG), genotipizzata utilizzando un sistema di deplezione del genoma basato su CRISPR-Cas9. In questo caso, l’approccio per la caratterizzazione genotipica è stato combinato con lo studio della diversità genetica, consentendo l’investigazione e la detezione di segnali genetici correlabili all’adattamento ad alte altitudini. Per quanto riguarda lo sfruttamento dei campioni d’erbario invece, è stata effettuata un'esaustiva revisione della letteratura per valutare le sfide e le opportunità associate al loro utilizzo. In fine i risultati ottenuti attraverso queste analisi hanno contribuito a sviluppare soluzioni concrete applicabili alle sfide preposte, permettendo l’esplorazione e un utilizzo più efficace della diversità genetica e delle risorse genetiche vegetali di alcune specie di leguminose ad uso alimentare.