GREEN BIOTECH. Biotecnologie per il miglioramento delle piante coltivate

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1 GREEN BIOTECH Biotecnologie per il miglioramento delle piante coltivate Relatore: Luigi Cattivelli Direttore del centro di Genomica e Bioinformatica CREA Consiglio per la Ricerca in Agricoltura e l Analisi dell Economia Agraria luigi.cattivelli@crea.gov.it ma è un OGM? Green Biotech Milano, 30 ottobre Seminario Il giornalismo scientifico: salute, ambiente, agricoltura e processi industriali

2 1. Incrocio intraspecifico Green Biotech Milano, Roma, ottobre Novembre Seminario - Seminario Il Il giornalismo scientifico: salute, salute, ambiente, ambiente, agricoltura agricoltura e processi e processi industriali industriali

3 Green Biotech Milano, 30 ottobre Seminario Il giornalismo scientifico: salute, ambiente, agricoltura e processi industriali Green Biotech Roma, 21 Novembre Seminario Il giornalismo scientifico: salute, ambiente, agricoltura e processi industriali Green Biotech Roma, 21 Novembre Seminario Il giornalismo scientifico: salute, ambiente, agricoltura e processi industriali

4 Green Biotech Milano, 30 ottobre Seminario Il giornalismo scientifico: salute, ambiente, agricoltura e processi industriali

18 Con l incrocio l uomo ha selezionato i frumenti moderni

19 Con l incrocio l uomo ha selezionato viti resistenti alla peronospora Tutte le viti coltivate si ammalano di peronospora. La vite è la coltura a cui vengono dedicati la maggior parte dei trattamenti persticidi. Anche i vigneti biologici sono trattati (solfato di rame). ma è un OGM?

20 Varietà coltivata Pianta selvatica interfertile con la varietà coltivata Gene di resistenza Incrocio Reincrocio Ripetuti reincroci Altro DNA proveniente dalla pianta selvatica Gene di resistenza Nuova varietà resistente

21 2. Incrocio interspecifico Frumento Segale Triticale (1871)

22 Frumento duro Orzo selvatico (Hordeum chilense) ma è un OGM?

23 3. Eterosi

25 Gli ibridi hanno innalzato la produttività delle piante coltivate Il riutilizzo del seme aziendale comporta una forte perdita produttiva di fatto l uso di ibridi vincola gli agricoltore all industria sementiera Specie ibride: mais, girasole, pomodoro e molte orticole, ecc ma è un OGM?

26 4. Mutagenesi Trattamento con agenti mutageni (chimici o fisici) e selezione di nuove forme vegetali

27 Varietà coltivata Selezione della pianta portante la mutazione desiderata e ripulitura parziale del background genetico Nuova varietà ottenuta via mutagenesi Produzione di migliaia di piante ciascuna con alcune migliaia di mutazioni casuali nel genoma tra cui selezionare, se presente, una pianta che porta la mutazione desiderata nel gene oggetto di studio Mutazione nel gene di interesse La nuova varietà porta la mutazione nel gene di interesse oltre ad un numero indefinito di altre mutazioni, più frequenti nei geni fisicamente vicini a quello oggetto di studio.

28 Con la mutagenesi l uomo ha selezionato risi resistenti agli erbicidi ma è un OGM?

29 Con la mutagenesi l uomo ha selezionato frumento a bassa taglia

30 Un po di pubblicità

31 5. DNA e marcatori molecolari Il sequenziamento del genoma consente di identificare il patrimonio genetico delle piante coltivate. Conoscere i geni consente di sapere a priori se una pianta porta o meno geni buoni che conferiscono, ad esempio, resistenza a malattie Da un pezzo di foglia si estrae il DNA

32 Green Biotech Milano, 30 ottobre Seminario Il giornalismo scientifico: salute, ambiente, agricoltura e processi industriali Green Biotech Roma, 21 Novembre Seminario Il giornalismo scientifico: salute, ambiente, agricoltura e processi industriali

33 ma è un OGM?

34 Diagnostica e tracciabilità Green Biotech Milano, 30 ottobre Seminario Il giornalismo scientifico: salute, ambiente, agricoltura e processi industriali Green Biotech Roma, 21 Novembre Seminario Il giornalismo scientifico: salute, ambiente, agricoltura e processi industriali

35 6-Trent anni di OGM

36 Nel 2014 oltre 180 milioni di ettari sono stati coltivati con piante GM (12% di tutta la superficie coltivata) Piante resistenti agli insetti, alle malattie, agli erbicidi, e combinazioni tra i caratteri Green Biotech Milano, 30 ottobre Seminario Il giornalismo scientifico: salute, ambiente, agricoltura e processi industriali

37 Con OGM l uomo ha selezionato piante resistenti agli insetti fitofagi Piante GM contengono un gene per la proteina insetticida Cry, di Bacillus thuringensis. Non è attiva nell uomo; usata in agricoltura biologica. I vantaggi consistono in un aumento delle produzioni unitarie e/o in una riduzione dei trattamenti insetticidi.

38 Con OGM l uomo ha selezionato piante resistenti ai diserbanti Molti erbicidi agiscono bloccando enzimi chiave della produzione di aminoacidi. Una piante può acquisire resistenza ad erbicida attraverso l introduzione di una versione leggermente modificata dell enzima (l enzima così modificato diventa resistente all azione inibitoria dell erbicida). I vantaggi consistono in una semplificazione della pratica del diserbo (più efficace ed a costi inferiori). Green Biotech Milano, 30 ottobre Seminario Il giornalismo scientifico: salute, ambiente, agricoltura e processi industriali

40 7. Trangenesi o cisgenesi?

41 Forma selvatica interfertile con la varietà coltivata Gene di resistenza Varietà coltivata Trasformazione Costrutto per la trasformazione contenente il gene di resistenza Pianta cisgenica resistente

42 Varietà cisgenica resistente differisce dalla varietà di originale per un gene su Varietà resistente ottenuta mediante reincrocio differisce dalla varietà di originale per il 5-10% dei geni. ma è un OGM?

43 8. Genome editing

44 8. Genome editing Un sistema per tagliare il DNA in un punto preciso Evoluto da batteri per distruggere il DNA dei virus Nelle versioni commerciali, il punto di taglio è predefinito dall operatore (non è casuale) A seguito del taglio si attivano i naturali meccanismi di riparzione La riparazione può causare piccole mutazioni (equivalente alla mutagenesi chimica) Può essere usato per inserire un gene esogeno in un punto prefissato del genome (transgenesi o cisgenesi) Funziona su tutti gli esseri viventi Richiede una buona conoscenza del genoma

45 9. Appendice Biodiversità ed incrocio, mutagenesi, transgenesi, cisgenesi e genome editing

46 Quando usare l uno, quando l altro: un esempio concreto mlo (Mildew resistance Locus O): un gene che conferisce resistenza all oidio Scoperto in orzo Conferisce resistenza a tutti i ceppi noti di oidio La resistenza dall assenza della proteina MLO funzionante, un carattere recessivo

47 mlo: un mutante ottenuto da mutagenesi in orzo Buschges et al., Cell 1997

48 La mutazione mlo esiste anche in natura Piffanelli et al., Nature 2004

49 Il gene MLO e l oidio esistono in tutte le specie ma solo in orzo sono stati trovati piante mlo resistenti

50 Il frumento ha geni MLO ma non è mai stato trovato un pianta mlo resistente Il frumento ha 3 geni MLO e solo la mutazione a tutti i geni è attesa conferire resistenza all oidio Non esistono mutanti naturali di MLO La mutagenesi per la sua natura casuale ha un probabilità quasi nulla di produrre nella stessa pianta mutazioni ai 3 geni MLO

51 Genome editing ai geni MLO di frumento rende la pianta resistente all oidio Wang et al., Nature Biotech 2014

52 Biodiversità ed incrocio Mutagenesi Transgenesi Cisgenesi Genome editing Un problema molte soluzioni Orzo (mlo) Frumento (mlo) Vite/melo (altro gene R) Resistenza ad insetti (mais, cotone)