L utilizzazione della biodiversità nel miglioramento genetico delle piante

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1 La biodiversità: una risorsa essenziale della natura. Conoscenza e valorizzazione attraverso la scuola 2010: Anno Internazionale della Biodiversità L utilizzazione della biodiversità nel miglioramento genetico delle piante DOMENICO CARPUTO carputo@unina.it Università degli Studi di Napoli Federico II Facoltà di Agraria Napoli, 29 aprile Stazione Zoologica A. Dohrn, Villa Comunale

2 Sommario!Introduzione!Che cosa è il miglioramento genetico!uso della biodiversità vegetale: alcuni esempi -Gli ibridi sessuali -Le biotecnologie cellulari -Le biotecnologie molecolari

3 I NUOVI SCENARI

4 La risorsa agroindustriale miliardi di persone Crescita della popolazione mondiale crescita della popolazione mondiale anno Risorsa suolo per le produzioni primarie Ex USSR US Spain Brazil France S. Africa Mexico Nigeria India Pakistan Indonesia China Hectares per person 2050 Hectares per person ,2 0,4 0,6 0,8 1 Source: United Nations Populations Division, World Population Prospects: The 2000 Revision, Vol 1 (New York:2001) Source: Dennis T. Avery, Saving the Planet With Pesticides and Plastic: The Environmental Triumph of High-Yield Farming (2000)

5 OGGI = 6.8 miliardi 2050 = miliardi

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7 Lotta chimica?

8 Nuove esigenze dell uomo Disponibilità di cibo in tutte le aree del pianeta Agricoltura sostenibile Qualità e sicurezza alimentare Capacità di produrre bioenergia, farmaci Decontaminazione suoli ed acqua..

9 -aumentare le aree coltivabili -aumentare H 2 O, concimi etc Migliorare le agrotecniche Aumentare l efficienzal produttiva delle piante Migliorare la qualità Costituire varietà resistenti alle avversità

10 Miglioramento della struttura genetica delle piante MIGLIORAMENTO GENETICO

11 Alcune tappe fondamentali 9000 AC Prime prove di domesticazione in tra Tigri ed Eufrate 1694 Camerarius dimostrò la presenza di fenomeni sessuali nelle piante. Suggerì la pratica deell incrocio per ottenere nuovi tipi di piante 1714 Mather descrisse gli incroci naturali in mais Kohlreuter demonstrò che gli ibridi ereditano i caratteri da entrambi i genitori e che per molti di questi caratteri sono a metà tra i 2 genitori 1866 Mendel esegue gli esperimenti sulle piante di pisello 1900 Riscoperta delle leggi di Mendel 1944 Avery, MacLeod, McCarty scoprono che il DNA è il materiale ereditario 1953 Watson e Crick propongono il modello della doppia elica del DNA 1970 Borlaug riceve il premio Nobel per la Rivoluzione Verde Berg, Cohen e Boyer propongono la tecnologia del DNA ricombinante (OGM) 1994 Il pomodoro FlavrSavr è il primo OGM 1995 E prodotto il mais Bt 2000 E sequenziato il genoma di Arabidopsis thaliana

12 Domesticazione Teosinte Mais

13 L ETEROSI Un fenomeno noto da tempo Mulo Ibrido interspecifico noto dal 3000 AC

14 Il fenomeno dell eterosi (= vigore ibrido) L eterosi rappresenta l incremento in produzione, velocità di accrescimento, resistenza etc. che si manifesta nelle progenie derivanti dall incrocio tra linee omozigoti distanti geneticamente 10 Trait value (e.g. yield) eterosi = F 1 - P P = (P 1 +P 2 )/2 B73 B73 x Mo17 Mo17 2 P 1 F 1 P 2 0 P 1 F 1 P 2

15 IL DOGMA CENTRALE DEL MIGLIORAMENTO GENETICO Produzione di variabilità genetica Selezione Rilascio nuova varietà

16 Riduzione della variabilità genetica Specie spontanea Pianta domesticata Moderna varietà

17 LA BIODIVERSITA VEGETALE "Evoluzione naturale "Sistema biologico complesso Bilancio energetico migliore "Specie non utilizzate ora lo potrebbero essere in futuro "Attività commerciali "Interesse medico "Fonte di geni utili per migliorare le varietà coltivate

18 Sommario!Introduzione!Che cosa è il miglioramento genetico!uso della biodiversità: alcuni esempi -Gli ibridi sessuali -Le biotecnologie cellulari (la fusione somatica) -Le biotecnologie molecolari (la trasformazione genetica)

19 I metodi classici: l incrocio sessuale Specie selvatica Specie coltivata Impollinazione Frutti con semi

20 I metodi classici: l incrocio sessuale Specie donatrice (biodiversità) Varietà coltivata Progenie X = Gene di interesse

21 Resistenze trasferite con ibridazione sessuale interspecifica SPECIE COLTIVATA AVVERSITA SPECIE DONATRICE Avena sativa Oidio A. barbata Beta vulgaris Cercospora B. marittima Phaseulus vulgaris Antracnosi e batteriosi P. acutifolius Triticum aestivum Ruggine T. timophevii Malus domestica Ticchiolatura M. floribunda Solanum tuberosum Peronospora S. demissum

22 Ibridazione interspecifica: alcune strategie 1. Incroci tra specie con stesso n.ro cromosomico Glycine max (2n=2x=40) x G. soja (2n=2x=40) Zea mays (2n=2x=20) x Z. mexicana (2n=2x=20) 2. Incroci tra specie con! n.ro cromosomico Solanum tuberosum (2n=4x=48) x S. chacoense (2n=2x=24) Ipomoea batatas (2n=6x=90) x I. trifida (2n=2x=30)

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25 Mutazioni meiotiche Meiosi I Interfase Meiosi II Prodotti meiotici MACROSPOROGENESI Normale II os/os II MICROSPOROGENESI Normale II ps/ps II 24 24

26 Ingegneria genomica 4x S. tuberosum aploidizzazione 2x S. tuberosum x 2x S. chacoense. selezione IBRIDO 2x (gameti 2n) x 4x S. tuberosum NUOVA POPOLAZIONE 4x selezione

27 Gli ibridi somatici Resistente: (+) Phoma lingam Lipaphis pseudobrassicae Phytomyza horticola stress idrico Brassica napus Brassica tournefortii

28 Gli ibridi somatici # # # #

29 Un caso studio: la patata S. bulbocastanum (2n=2x=24, 1EBN) Valle Toluca

30 Un caso studio: la patata tbr blb tbr aploide HF blb tbr (+) blb cv Desiree

31 Selezione assistita Una sequenza di DNA associata ad una parte del genoma (es. gene di resistenza xyz1) 2,3 cm 0,25 cm 0,5 cm 3,7 cm CAPS 1 T 64 Rdr1 xyz1 GCG CAC

32 Selezione assistita L analisi del DNA consente di: $ evitare i test di patogenicità $ selezionare precocemente le piante, accelerando i tempi della selezione $ valutare la stessa pianta per geni di Resistente (R) DNA R DNA S Suscettibile (S) resistenza a vari patogeni

33 Trasformazione genetica

34 Piante transgeniche Specie Transgene Carattere modificato Mais Cry 1A(b) Resistenza a lepidotteri Mais Barnase Maschiosterilità Pomodoro ACC-sintasi Maturazione ritardata Soia Delta desaturasi Aumento di acido oleico Patata Cry 3A Resistenza a coleotteri Patata CP Resistenza a virus Cotone EPSPS Resistenza a glifosate Colza ACP tioesterasi Aumento di acido laurico Bietola CP Resistenza a virus Melone Sam-K Maturazione ritardata

35 Piante transgeniche Specie Carattere modificato Patata Bietola Colza Tabacco Patata Erba medica, mais Petunia, crisantemo Patata Composizione dell amido Composizione dello zucchero Composizione dell olio Sintesi di xilosio Sintesi di glicogene Digeribilità del foraggio Colore/forma del fiore Sintesi di proteine

36 Trasformazione genetica

37 Trasformazione genetica

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39 La selezione delle piante resistenti Phenotype Genotypes, # Susceptible (S) 4 (7%) Moderately Susceptible (MS) Moderately Resistant (MR) 14 (25%) 26 (45%) Resistant (R) 13 (23%) Totale 57 Bradeen et al. 2009, MPMI

40 Foliar resistance and RB copy number/transcript level Bradeen et al. 2009, MPMI

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