Miglioramento genetico: l ideotipo. di pianta del XXI secolo. Elisabetta Lupotto Stefano Cavigiolo Diego Greppi

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1 Miglioramento genetico: l ideotipo di pianta del XXI secolo Elisabetta Lupotto Stefano Cavigiolo Diego Greppi Castello d Agogna, d 19 dicembre 2007

2 Temperate japonica Oryza sativa ssp. Japonica Tropical japonica Oryza glaberrima Oryza sativa ssp. Indica zona tropicale

3 45 parallelo Nord

4 Aspetti prioritari della ricerca sul riso nel mondo Resistenza alle avversità: Resistenza agli stress biotici: patogeni ed insetti Resistenza agli stress abiotici: carenza idrica, salinità e freddo Incremento della produttività Meccanismi genetici alla base della produttività: ibridi, eterosi e varietà competitive Qualità nutrizionale e qualità merceologica Conservazione e valorizzazione delle risorse genetiche, sia autoctone che estere, caratterizzazione e catalogazione della biodiversità e impiego mirato nel breeding

5 MEZZI DI INDAGINE: Dal miglioramento genetico convenzionale alle biotecnologie ed alla genomica e post-genomica Impiego dei marcatori molecolari in aiuto al breeding: MAS per tratti qualitativi MAS per resistenza a patogeni MAS per genotipizzazione e impiego mirato della biodiversità Le biotecnologie: piante geneticamente modificate e lo stato attuale della situazione mondiale

6 Aspetti prioritari della ricerca sul riso nel mondo Resistenza alle avversità: Resistenza agli stress biotici: patogeni ed insetti Resistenza agli stress abiotici: carenza idrica, salinità e freddo avversità climatiche Funghi e insetti patogeni Acqua e nutrienti

7 Miglioramento genetico per eterosi e resistenza alle avversità ambientali: Studi dagli USA (Colorado, Texas), Australia, Iran Sterilità fiorale come indicatore di resistenza al freddo freddo Volume e profondità radicale come indicatore di resistenza alla carenza idrica Carenza idrica e salinità Cina: Sviluppo di ibridi ed associazione di caratteri elite con l ibrido

8 Cosa c è di nuovo negli studi di miglioramento genetico mirato alla tolleranza alla carenza idrica? Aspetto fondamentale è: matching of crop s phenology to its environment Cioè associare lo sviluppo della pianta e di conseguenza la tolleranza alla carenza idrica in alcune fasi critiche dello sviluppo con le caratteristiche dell ambiente nel quale la pianta è coltivata Spostamento del concetto: Produzione per unità di area a produzione per unità di acqua impiegata (WATER PRODUCTIVITY)

9 Progetto CEE - VI FP CEDROME (INCO-CT ) 11 Partners da 8 nazioni: Olanda, Italia, Francia, UK, Marocco, Tunisia, Egitto, China Sviluppo di cereali resistenti alla carenza idrica per uno sviluppo sostenibile nell areale Mediterraneo

10 Dal miglioramento genetico convenzionale alle biotecnologie ed alla genomica e post-genomica Impiego dei marcatori molecolari in aiuto al breeding: MAS per tratti qualitativi MAS per resistenza a patogeni MAS per genotipizzazione e impiego mirato della biodiversità Le biotecnologie: piante geneticamente modificate e lo stato attuale della situazione mondiale

11 MARCATORI MOLECOLARI Identificano POLIMORFISMI a livello del DNA Facili da monitorare Non sono influenzati dall ambiente Altamente polimorfici Variamente distribuiti nel genoma e su tutti i cromosomi Codominanti Appropriati per esplorare sia indica che japonica Presenza di varianti alleliche per un dato gene

12 MARCATORI MOLECOLARI Identificano POLIMORFISMI a livello del DNA Presenza di varianti alleliche per un dato gene Marcatori funzionali su geni specifici per un dato carattere Marcatori genomici per genotipizzazione Studi di filogenesi Descrizione della diversità

13 Gene frg > Frg è localizzato sul cromosoma 8 > Frg codifica per l enzima Betaina Aldeide Deidrogenasi (BAD2) coinvolto nel metabolismo della 2 AP

14 Varietà NON aromatiche BAD2 Non vi è accumulo di 2-AP Precursore 2-AP Varietà aromatiche BAD2 Accumulo di 2-AP TAA stop codon prematuro rende proteina non funzionante Odore caratteristico

15 Varietà aromatiche Apollo Venere Asia Fragrance Gange Giano ANALISI DI SEQUENZIAMENTO Delezione di 8bp ACTGGTATATA TTTCAGAGCTGCTCCTATGGTTAAGGTTTGTTT ACTGGTAAAAAGATTATGGCTTCAGAGCTGCTCCTATGGTTAAGGTTTGTTT SNP Varietà NON aromatiche Carnaroli Maratelli Gigante Vercelli Baldo Polimorfismi offrono opportunità di costruire un marcatore universale per l aroma

16 PCR COMPETITIVA utilizzo di primers allele specifici A B C Controllo positivo ESP+EAP 580bp Omozigoti non-aromatici INSP+EAP 355 bp Omozigoti aromatic ESP+IFAP 257 bp Eterozigoti aromatiche non aromatiche Tecnologia molecolare in aiuto al breeding

17 Screening del germoplasma con marcatori per aroma Aiace Apollo Ariete Arpa Asia Augusto Brio Centauro Creso Delfino Eurosis Gange Giano Gladio Loto Minerva Perla Scirocco Selenio SIS R215 Tejo Koral Fragrance Karnak Thaibonnet Balilla Baldo Carnaroli 580 bp 355 bp Cigalon Cripto Lido Arborio Ribe Vialone nano Redi S. Andrea Volano Roma Maratelli Rosa M. Navile Italico Roncarolo Razza Gigante Akitakomachi Sasanishi Pecos Jefferson B82 Bengal Cocodrie Dellmont Dellrose Dixie Drew 257 bp Varietà aromatiche Apollo- Asia- Gange- Giano- Fragrance- Cocodrie- Dellmont- Dellrose

18 Introduzione di 22 genotipi di riso caratterizzati da alleli di resistenza ad ampio spettro a Magnaporthe (Pyricularia) grisea

19 Resistenze genetiche: oltre 30 geni R sono stati mappati sui cromosomi di riso Geni con ampio spettro di resistenza Varietà di riso Italiane antiche e attualmente coltivate sono in larga maggioranza suscettibili

20 Esempi di marcatori molecolari direttamente polimorfici Pi 7- D25527 (STS) Pi 5-40N23 (STS) DOMINANTE Presenza-Assenza CODOMINANTE Insertion-Deletion

21 Analisi dei marcatori molecolari sulle 80 varietà della collezione Donatore gene Pi-5

22 Risultato dell analisi con 12 marcatori molecolari per 6 geni di resistenza nelle 80 varietà della collezione

23 Impiego dei marcatori molecolari in aiuto al breeding: MAS per tratti qualitativi MAS per resistenza a patogeni MAS per genotipizzazione e impiego mirato della biodiversità Conservazione e valorizzazione delle risorse genetiche, sia autoctone che estere: Impiego mirato nel breeding Caratterizzazione e catalogazione della biodiversità Ricerca di alleli preziosi e loro valorizzazione Le biotecnologie: piante geneticamente modificate e lo stato attuale della situazione mondiale

24 Verso un efficiente impiego delle informazioni date dal sequenziamento del genoma del riso Baltazar BA, Nagamura T, Sasaki T National Insitute of Agrobiological Sciences Tsukuba, Ibaraki Japan Il riso rappresenta la stele di Rosetta dei cereali Specie Arabidopsis Drosophila Riso Mais Uomo Frumento Dimensione del genoma (milioni di basi) 125 Mb 180 Mb 400 Mb 3000 Mb 3000 Mb Mb

25 Eu Call AGR GEN RES European Partners Caratterizzazione genomica per la conservazione e la valorizzazione del germoplasma di riso europeo EURIGEN

26 Banca Germoplasma Riso CRA.ISCE Vercelli Accessioni totali caratterizzate 247 (2004) 382 (2006) Accessioni italiane: 209 Accessioni estere: 173 Conservazione per seme del germoplasma ( g per genotipo) in codizioni controllate (T 4 C, UM <60%)

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28 1S 2H 3H 4S 5S 6S 7S 8S 9M 10S 11S 12S 13H 14S 15M 16S 17S 18S 19H 20S 21R 22R 23S 24S 25S 26H 27H 28H 29H 30S 31S 32S 33S 34S 35R 36S 37M 38S 39S 40S 41S 42S 43H 44H 45H 46S 47H 48M 49S 50M 51S 52S 53S 54S 55S 56S 57H 58S 59R 60M 61M 62M 63M 64R 65S 66M 67H 68S 69S 70S 71S 72S 73S 74H 75H 76S 77H 78S 79R 80S 81M 82R 83H 84H 85S 86M 87S 88H 89H 90S 91S 92R 93S 94H 95S 96M 97H 98S 99S 100H 101M 102S 103S 104S 105S 106H 107H 108S 109S 110H 111M 112H 113S 114H 115S 116R 117S 118H 119H 120H 121H 122H 123S 124S 125H 126M 127S 128S 129S 130S 131H 132S 133S 134S 135S 136S 137S 138M 139S 140H 141S 142S 143S 144S 145S 146S 147S 148H 149S 150S 151S 152S 153M 154S 155H 156S 157S 158H 159H 160S 161S 162S 163H 164M 165S 166S 167M 168S 169H 170S 171R 172S 173M 174S 175H 176S 177S 178M 179S 180M 1c b 1a 7 Genotipizzazione con marcatori SSR (24 markers sui 12 cromosomi) su 227 varietà di riso italiano ed estero

29 Impiego dei marcatori molecolari in aiuto al breeding: MAS per tratti qualitativi MAS per resistenza a patogeni MAS per genotipizzazione e impiego mirato della biodiversità Conservazione e valorizzazione delle risorse genetiche, sia autoctone che estere: Impiego mirato nel breeding Caratterizzazione e catalogazione della biodiversità Ricerca di alleli preziosi e loro valorizzazione Le biotecnologie: piante geneticamente modificate e lo stato attuale della situazione mondiale

30 Global status of commercialized Biotech/GM Crops: 2006 BRIEF 35 Clive James - Chair ISAAA (International Service for the Acquisition of Agri-biotech Applications)

31 Global status of commercialized BIotech/GM Crops: 2006 BRIEF 35 Clive James - Chair ISAAA (International Service for the acquisition of Agri-biotech Applications)

32 New Plant Type (NPT): lo sviluppo e la integrazione delle conoscenze e delle biotecnologie in Cina Resistenze genetiche introdotte con le biotecnologie Resistenze genetiche introdotte col breeding assistito dalla genomica Performance aumentata con l impiego dell ibrido

33 Prospettive di incremento produttivo per il riso mediante l impiego delle biotecnologie

34 Grazie per l attenzione e I nostri migliori auguri di Buone Feste!