Miglioramento genetico assistito dalla genomica

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1 Miglioramento genetico assistito dalla genomica

2 Miglioramento genetico assistito dalla genomica Selezione delle piante sulla base del loro profilo ai marcatori genetici molecolari e non sulla base del fenotipo, in una o più delle fasi di un programma di miglioramento genetico Da Wikipedia: Marker-assisted selection (selezione assistita da marcatori) Processo con il quale un marcatore (morfologico, biochimico o basato sul DNA/RNA), è usato per la selezione indiretta di uno o più determinanti genetici che controllano un carattere di interesse.

3 Miglioramento genetico assistito dalla genomica PRO e CONTRO della selezione assistita PRO Per molti caratteri, lo screening con marcatori è meno costoso della valutazione fenotipica La selezione assistita con marcatori può essere svolta coni piccole quantità di tessuto (es. parte di seme) e non richiede di attendere l espressione fenotipica del carattere nella pianta adulta I risultati del profilo molecolare non sono influenzati da fattori ambientali La selezione è efficace anche per caratteri a bassa ereditabilità I marcatori consentono di piramidare (concentrare) più geni per lo stesso carattere (es. geni di resistenza) nella stessa pianta (la selezione fenotipica è poco efficiente per lo stesso obiettivo) Rilascio di nuove varieta piu breve di 2-3 anni rispetto ai metodi convenzionali (6-7 invece che 8-10) CONTRO Per essere applicata per un determinato carattere, occorre che sia stata stabilità l associazione tra il carattere ed un marcatore in studi precedenti Richiede la disponibilità di piattaforme tecnologiche e programmi di breeding specifici Diffusa nelle specie agrarie principali, a causa degli alti costi fissi richiesti dalla disponibilità delle tecnologie molecolari e della necessità di avere a disposizione conoscenze genetico-molecolare della specie Persistente mancanza di conoscenza su vari aspetti del controllo genetico dei caratteri complessi (es. interazioni effetto-marcatore-a x effetto-marcatore-b oppure interazioni marcatore x ambiente)

4 Miglioramento genetico assistito dalla genomica PRINCIPALI FORME DI SELEZIONE ASSISTITA 1. Selezione basata su loci (QTL/geni) mappati Marker-assisted selection (MAS) = Selezione assistita da marcatori Marker-assisted backcrossing (MABC) = reincrocio assistito da marcatori Breeding by design (BBD) Marker-assisted recurrent selection (MARS) = selezione ricorrente assistita da marcatori 2. Selezione con marcatori senza informazioni di mappa di QTL/geni Genomic selection (GS) = Selezione genomica

5 Miglioramento genetico assistito dalla genomica Punti di partenza: 1. conoscenza del controllo genetico del carattere e 2. tecnologia = possibilità di analizzare un alto numero di campioni a basso costo (ad un costo ed efficienza competitivi con la selezione basata sul fenotipo) Sia per preparazione del DNA sia per tipo di marcatore - Preparazione del DNA procedure high-throughput a basso costo per campione

6 1. Selezione basata su loci mappati MAS: MARKER-ASSISTED SELECTION (selezione assistita da marcatori) Le piante sono selezionate sulla base del profilo molecolare ad uno od alcuni loci ( fino a 4-6) MABC: MARKER-ASSISTED BACKCROSS (Reincrocio assistito da marcatori) Caso particolare di MAS in cui alleli favorevoli al breeding, ad uno o più loci) sono trasferiti da un genitore donatore ad una linea elite tramite vari cicli di reincrocio e selezione assistita con marcatori. BBD: BREEDING BY DESIGN A seguito della definizione dell ideotipo, si progettano incroci multipli per concentrare nella stessa linea elite la migliore combinazione di alleli, a loci diversi e per caratteri anche molto diversi, con l obiettivo di raggiungere l ideotipo.

7 Marcatori per MAS I marcatori devono essere strettamente concatenati (< 5 cm) ai loci target loci o, idealmente, entro al gene di interesse I marcatori devono essere verificati (presenza del polimorfismo e concatenazione con il locus target) nei background genetici di interesse, prima del loro utilizzo I marcatori dovrebbero essere preferibilmente codominanti E in molti casi necessario produrre un tipo di marcatore utilizzabile con tecniche high-throughput a basso costo (eg. SNP) a partire dall informazione originale di associazione marcatore fenotipo, In ordine di adattabilità alla MAS possiamo elencare: meno adatti > RFLP, RAPD, AFLP, SSR, STS, SCAR, SNP > più adatti.

8 M13 Sviluppo di un test PCR codominante di tipo STS per MAS in frumento duro Colosseo ATTGCATCTATCTTAAGTAGGT...GTACGTACGTCTGTCAA Lloyd 5 C-specific Fw primer L-specific Fw primer 3 3 ATTACATCTAGCTGAAGTAGGC...GTACGTACGTCTGTCAA. 3 5 Genome-specific Rv primer M13 Colosseo LLoyd 142 bp 123 bp RIL CxL Kb % Agarose gel

9 Piramidazione a due loci di resistenza Collard and Mackill, 2008 Select homozygotes for R1 and R2

10 Selezione assistita con marcatori per sviluppare cultivar di frumento duro resistenti alla Fusariosi Locus 1 (QTL 5A) Locus 2 (QTL 5A) Locus 3 (QTL 3B) Profili molecolari di piante F2 Da: Enrico Noli, DipSA, University of Bologna

11 Differenze varietali di resistenza al SBCMV

12 Marker-assisted backcrossing (MABC) = Reincrocio assistito da marcatori a) Selezione per l allele maggiormente associato al gene (allele) target fornito dal genitore donatore. a Target locus TARGET GENE/ QTL SELECTION from: Collard and Mackill, 2006

13 Marker-assisted backcrossing (MABC) = Reincrocio assistito da marcatori a) Selezione per l allele maggiormente associato al gene (allele) target fornito dal genitore donatore. b) Selezione per gli alleli del genitore ricorrente ai marcatori fiancheggianti il gene target, per ridurre il linkage drag a fianco del gene target. a b Target locus TARGET GENE/ QTL SELECTION RECOMBINANT SELECTION from: Collard and Mackill, 2006

14 Marker-assisted backcrossing (MABC) = Reincrocio assistito da marcatori a) Selezione per l allele maggiormente associato al gene (allele) target fornito dal genitore donatore b) Selezione per gli alleli del genitore ricorrente ai marcatori fiancheggianti il gene target, per ridurre il linkage drag a fianco del gene target c) Selezione per gli alleli del genitore ricorrente nel resto del genoma (opzionale) a b c Target locus TARGET GENE/ QTL SELECTION RECOMBINANT SELECTION BACKGROUND SELECTION from: Collard and Mackill, 2006

15 Marker-assisted backcrossing (MABC) = Reincrocio assistito da marcatori from: Ribaut e Hoisington, 1998

16 Vantaggi del reincrocio assistito rispetto al convenzionale Più veloce recupero del genoma del genitore ricorrente (spesso cultivar elite) e riduzione del problema del linkage drag Come qualunque tipo di MAS, non è influenzato da fattori ambientali Efficiente selezione di alleli recessivi e di individui con eventi di ricombinazione vicini al gene target Miglior uso delle risorse del programma di breeding in quanto il numero di linee da mantenere per ciclo di reincrocio ed il numero di cicli da svolgere sono inferiori rispetto al programma tradizionale.

17 Esempio di piramidazione di geni/qtl From: Takeda and Matsuoka, 2008

18 Trait(s) Gene/QTLs Foreground selection Background selection Reference Bacterial blight Xa21 STS RFLP Chen et al. (2000) Bacterial blight Bacterial blight + quality xa5, xa13 and Xa21 STS, CAPS not performed Sanchez et al. (2000) xa13, Xa21 STS and SSR AFLP Joseph et al. (2004) Blast Pi1 SSR ISSR Liu et al. (2003) Deep roots QTLs on chrs. 1, 2, 7 and 9 RFLP and SSR SSR Shen et al. (2001) Quality waxy RFLP AFLP Zhou et al. (2003) Root traits and aroma QTLs on chrs. 2, 7, 8, 9 and 11 RFLP and SSR RFLP and SSR Steele et al. (2006) Subemergence tolerance Subemergence tolerance, disease res., quality Sub1 QTL Subchr9 QTL, Xa21, Bph and blast QTLs and quality loci phenotyping and SSR SSR Mackill et al. (2006) SSR and STS not performed Toojinda et al. (2005)

19 Gupta et al. (2010). Molecular Breeding.

20 Gupta et al. (2010). Molecular Breeding.

21 La filiera del frumento duro Ricerca precompetitiva Industria sementiera Agricoltore Industria alimentare Consumatore

22 Caratteri selezionati presso la PSB, Argelato Malattie Morfo-fisiologici Qualità Oidio Altezza Contenuto proteico Ruggine bruna Caratteri spiga Indice giallo Ruggine gialla Septoria tritici Resistenza al freddo Qualità glutine Fusariosi Resistenza alla siccità DON Courtesy of Andrea Demontis, PSB, Argelato

23 large large small QTL effect QTL effect small

24 Selezione genomica