(Agro)Biodiversità e miglioramento genetico delle piante: : la rivoluzione genomica. M. Enrico Pè. Scuola Superiore Sant Anna.

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1 (Agro)Biodiversità e miglioramento genetico delle piante: : la rivoluzione genomica M. Enrico Pè Scuola Superiore Sant Anna di Pisa

2 Variazione e Somiglianza Tra Specie Risultato di centinaia di milioni di anni di evoluzione naturale

3 L Invenzione dell Agricoltura ha determinato la Domesticazione di Specie Selvatiche e l l Evoluzione delle Specie Coltivate mais e teosinte frumento tenero e suoi progenitori Specie coltivata = specie modificata artificialmente per soddisfare esigenze umane NON in grado di sopravvivere SENZA l intervento umano Deriva da uno o più progenitori selvatici attraverso il processo di domesticazione. Lascito dei nostri antenati del Neolitico ~ anni fa

4 Agrobiodiversità: : Variazione e Somiglianza Entro Specie Coltivate mais Risultato di poche migliaia di anni di evoluzione artificiale peperone pomodoro

5 Miglioramento Genetico è un processo evolutivo accelerato diretto dall uomo Il miglioramento genetico è un processo ciclico lento e costoso che si basa sulla riproduzione sessuale controllata e sugli incroci tra individui scelti (selezione artificiale) Bruegel il vecchio XVI sec. Abbassamento della taglia uno dei pilastri della Green Revolution degli anni 70

6 Miglioramento Genetico entro Specie Il miglioramento genetico è un processo ciclico: efficace ma difficile e lungo Incroci Il problema principale è definire il rapporto tra genotipo e fenotipo

7 Breeding,, ovvero Incroci Controllati Campo di riproduzione di sorgo all ICRISAT, Hyderabad India

8 La Genetica di Popolazione: Struttura Genetica di Popolazioni e Misura delle Differenze tra Specie / Popolazioni Gli individui trasmettono geni NON genotipi Frequenze Alleliche f (A) = p f (a) = q Frequenze Genotipiche AA Aa aa p 2 2pq q 2 Le differenze tra popolazioni si esprimono in differenze nelle frequenze alleliche

9 Misura delle Differenze tra Specie / Popolazioni Distanza Genetica = misura della diversità del materiale genetico tra specie o tra individui della stessa specie Concetti Fondamentali 1. Nelle sottopopolazioni aumentano gli incrocio tra consanguinei 2. I consanguinei hanno geni in comune 3. Aumentano gli omozigoti (AA( e aa) 4. Il tipo di omozigoti prodotti nelle diverse popolazioni è casuale 5. Livello di eterozigosità (H)) buon indice per stimare le differenze genetiche tra popolazioni ad es. F ST Indice di Fissazione

10 ALCUNE IMPORTANTI DEFINIZIONI Evoluzione biologica = cambiamento nel tempo della proporzione di organismi che differiscono GENETICAMENTE in uno o più caratteri Genoma = insieme del materiale genetico DNA di una specie Genotipo = composizione genetica di un individuo Fenotipo = espressione fisica di un genotipo in un dato ambiente Ambiente = tutti i fattori NON genetici Fenotipo = G + A Selezione = successo riproduttivo diverso di fenotipi diversi nell ambito dello stesso ambiente. Fattore principale di evoluzione PROBLEMA: relazione genotipo fenotipo Evoluzione è un processo lento ma nel lungo periodo ha effetti cumulativi enormi

11 GENOME REPLICATION GENES TRANSCRIPTION RNA mrna Flusso dell Informazione Genetica TRANSLATION PROTEINS METABOLISM PHYSIOLOGY PHENOTYPE

12 Flusso dell Informazione Genetica REPLICATION ENVIRONMENT G x E GENOME GENES RNA mrna PROTEINS PHENOTYPE TRANSCRIPTION TRANSLATION METABOLISM PHYSIOLOGY QUANTITY STRUCTURE ORGANIZATION STRUCTURE FUNCTION REGULATION MUTANTS PREVISION MODELIING TESTING

13 Approcci Genetici GENOME Reverse Genetics GENES RNA mrna PROTEINS PHENOTYPE TRANSCRIPTION TRANSLATION METABOLISM PHYSIOLOGY MUTANTS Forward Genetics PREVISION MODELING, TESTING

14 Pochi eventi di mutazione in geni chiave possono determinare cambiamenti drastici del fenotipo Fiore normale di Arabidopsis thaliana Tre mutazioni contemporanee in tre geni Saltational Evolution

15 L IRRESISTIBILE REVOLUZIONE GENOMICA

16 SIGNIFICATO MODERNO di GENOMA L insieme del MATERIALE GENETICO - DNA - di una cellula, di un organismo, o di una specie Rappresenta il potenziale di funzionalità di un organismo La complessità di un Genoma è descritta come numbero di base- pairs (bp) 1 Mbp = 1 milione bp

17 Parecchi Rivoluzioni Sovrapposte : 1. The Original One Nature 409, February Mbp Plant Genomes Publicly Released Arabidopsis thaliana Mbp Rice Mbp Poplar Mbp Vitis vinifera Mbp Papaya Mbp Maize Mbp Peach, Apple, Tomato,, Potato 2010?? Sorghum, Citrus, Soya,, Banana et al

18 The First Revolution - Based on Sanger chemistry (1968) - Sequence assebly requires redundant sequencing - Complex organization - Specialized Centers - Time-consuming Years - Costly 500 Mbp = 1 Million Phenomenal Improvements in several fields: - microscopy and imaging - surface chemistry - nucleotides biochemistry - enzimology - miniaturization - informatics and bio-informatics informatics

19 CYCLIC - ARRAY SEQUENCING or SECOND GENERATION DNA SEQUENCING 2005 FIRST PUBBLICATION 2009 MATURE TECHNOLOGY Roche 454; Illumina Solexa; ; ABI SOLiD Key Words 1. PCR colony = Polony 2. Array 3. Cyclic-Array sequencing 4. Parallelism Major Consequences Gigabases for instrument millions short reads (TAGs)) in one experiment 3. Speed From years to months 4. Cost Reduction

20 DEMOCRATIZZAZIONE del SEQUENZIAMENTO GENOMICO Classic Second-generation Sequencing Centers Single Labs

21 Genomics and Agrobiodiversity: Linking Genomics to Traits REPLICATION ENVIRONMENT G x E GENOME GENES RNA Small RNAs mrna PROTEINS STRUCTURE ORGANIZATION STRUCTURE FUNCTION TRANSCIPTION TRANSLATION METABOLISM PHYSIOLOGY Genomic Variation Re-sequencing Gene Variation Functional Variation RNA-Seq Small RNA Epigenetics Methylation PHENOTYPE Adaptation Quality Yield stability ty QTL mapping Association mapping

22 1. Variabilità entro specie 2. Variabilità tra specie - specie coltivate evolutivamente lontane - specie coltivate evolutivamente vicine - wild relatives Agrobiodiversità: : livelli varietà di élite varietà antiche, landraces Riso selvatico Riso coltivato

23 Alleles Identification is NO LONGER the Bottle Neck Alignement of TAGs to the reference sequence and identification of Single Nucleotide Polymorphisms

24 High Through-put Genotyping Illumina Bead-array array Genotype Separation 3 micron diameter beads 50,000 features 1,536 SNPs in one run

25 Re-sequencing and SNP detection Tocai=PN40024: No structural variation Detection of structural variation PN40024 assembly Tocai reads Tocai reads Tocai<PN40024: Insertion in PN PN40024 assembly Tocai reads RNA-Seq and differential gene expression Transcribed transposable element

26 Domesticazione e Agrobiodiversità 120 specie coltivate forniscono il 90% delle risorse alimentari di origine vegetale 14 specie di mammiferi e uccelli forniscono il 90% delle risorse alimentari di origine animale 12 specie e 5 specie di animali terrestri forniscono il 70% Riso, mais, frumento e patata + bovini, suini e polli forniscono > 50 %

27 La Sicurezza Alimentare Dipende dalla Agrobiodiversità Proiezioni popolazione umana nel 2025: 8 miliardi 80% nei Paesi in via di sviluppo 790 milioni di persone sono classificate malnutrite + 17% dal milioni dei più poveri vivono in aree rurali ma rapido processo di urbanizzazione Terra arabile rimarrà costante a 1.4 miliardi di ettari ma urbanizzazione, erosione, inquinamento Da contrastare gli effetti dei cambiamenti climatici, che sono già in atto

28 Domesticazione e Breeding hanno determinato una riduzione della variabilità genetica Effetto collo di bottiglia nella fase di domesticazione Molte specie coltivate hanno una base genetica molto stretta. Es la soia deriva da 12 popolazioni Cinesi

29 Agrobiodiversità e cambiamenti climatici: che fare? Contrastare l erosionel Stimare la variabilità genetica disponibile Attribuire una funzione alla variabilità genetica identificata - Recupero varietà locali Attingere alla variabilità per il miglioramento - Uso specie selvatiche - Introduzione diretta singoli geni

30 Little Overlap Between Centres of Origin and Today s s Productive Agriculture Nature Vol 418,

31 Dove si conserva la Agrobiodiversità Collezioni Nazionali e Internazionali (conservazione ex situ) Ad es. Centri del Consultative Group on International Agricultural Research (CGIAR) CIAT > 70 mila Cassava, fagiolo, riso CIMMYT > 135 mila Mais, frumento ICARDA > 105 mila Lenticchia, cece ICRISAT > 110 mila Sorgo, miglio, arachide IRRI > 80 mila Riso AREE PROTETTE (conservazione in situ)

32 La Grande Risorsa dei Selvatici: il caso del Pomodoro

33 Solanum pennellii natural habitat LA0716* Atico Arequipa-Peru

34 Incrocio Inter-specifico Elite variety Wild species S. lycopersicum cv M82 S. pennellii Backcross F1 Hybrid

35 A Heterotic S. lycopersicum X S. pennellii F1 hybrid

36 The S. pennellii Introgression Lines (ILs( ILs) S. pennellii M82 Parental Species IL ILs IL12-4

37 Effetto Sorpresa Zamir 2001 Nat Rev Genet

38 Il Nuovo Collo di Bottiglia? L Analisi Fenotipica

39 Root Imaging

40 To Double Yield by 2050 We Need AGE

41

42 Colinearità dei Genomi di Specie Evolutivamente Correlate

43 R12b R8 R9 R11a R11b R12b R5b R6a R6b R7 R3b R4a R4b R5a R1a R1b R2 R3a R10 R3c Riso Riso R6b R12b R9 R2 R6a R8 R3c R12a R11a R11b R7 R1a R1b R3b R5a R10 R5b R4a R3a R4b W1 W2 W3 W4 W5 W6 W7 Frumento Frumento R2 R4a R9 R7 R10 R3b R3a R11a R6b R5b R3c R8 R12a R1a R1b R6a R4b R5a R9 R7 R4b R12a R10 R3b R3a R11a R6a R8? R3c R2 R1a R5a R5b R1b R4a R6b M3 M6 M1 M4 M2 M8 M9 M5 M7 M10 Mais Mais

44 La Colinearità Consente di Considerare le Specie Evolutivamente Correlate come un unica unica Potenziale Riserva di Geni