Miglioramento genetico classico (Breeding).

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1 Miglioramento genetico classico (Breeding). AI GIORNI D OGGI: In concomitanza con le crescenti necessità alimentari (causate dalla crescita esponenziale della popolazione mondiale), insieme alla sempre maggiore richiesta di cibi bilanciati a livello nutrizionale, vi è la necessità di produrre cultivar o varietà più efficienti ai cambiamenti climatici.

2 - Il Miglioramento Genetico ʺderivaʺ dalla nascita dell agricoltura: circa anni fa - Cambiamento culturale e sedentarizzazione delle popolazioni nomadi - Selezione e isolamento delle popolazioni vegetali migliori - Diventa tale solo quando la selezione e la conservazione di semi modello (varietà migliori) diventa cosciente - Addomesticamento di Cereali, Leguminose, e Piante da Frutto

3 L ADDOMESTICAMENTO è una forma accelerata di evoluzione - Ad oggi circa 230 cultivars sono state addomesticate - L addomesticazione del Mais ha avuto inizio intorno al 1500 a.c.

4 1Bushel = 24,5Kg Nell ultimo secolo i guadagni produttivi registrati e attribuibili al Miglioramento genetico vanno da 10 a 50 Kg ha -1 /anno!!

5 Plant breeding o miglioramento vegetale si basa sulla Genetica Quantitativa Scopo: produrre varietà/cultivar nuove e migliori sfruttando la variabilità genetica dei 'caratteri' di interesse La riscoperta delle leggi di Mendel (1865, fattori ereditari discreti, incroci per dare nuove combinazioni) inizia a fornire una base scientifica al miglioramento varietale Negli anni 70 s'introducono importanti passi avanti con tecniche quali: incroci con varietà resistenti e successivi re-incroci, produzione di semi ibridi (maschio-sterilità, incompatibilità sessuale)

6 Dopo gli anni 70 si osserva un balzo in avanti nelle tecniche disponibili: - Colture cellulari e crescita di cellule in vitro - Possibilità di rigenerare nuovi individui e di fare selezione varietale anche in vitro - Variazione somaclonale come strumento di creazione di nuove varietà insieme a mutagenesi classica (chimica o fisica). - Fusione protoplasti (famoso l'ibrido pomodoro-patata), con molte limitazioni - Coltura di cellule aploidi (granuli pollinici) - Limitata a geni presenti nel germoplasma (compatibilità sessuale)

7 Avvento biotecnologia e biologia molecolare consente di superare queste barriere (piante transgeniche, 1990-) Marcatori molecolari consentono di monitorare il breeding passo passo velocizzando e perfezionando la tecnica Consentono anche di velocizzare i programmi di backcross (introgressione) riducendo i tempi anche del 50% Miglioramento anche di caratteri quantitativi Molto c'è ancora da fare e sapere soprattutto sulla biologia e la fisiologia dei caratteri agronomici (resistanza patogeni e stress ambientali) e sulle interazioni tra ambiente e genotipo.

8 Il Miglioramento Genetico può essere: 1) BIOTECNOLOGICO (2 generazione) Introduzione di un singolo gene 2) CLASSICO Creazione di nuovi genomi attraverso incroci

9 Step fondamentale nel Breeding Classico: L INCROCIO

10 Breeding classico 1- Produrre o evidenziare la variazione 2- Identificare e selezionare 3- Stabilizzare e moltiplicare 1- Produrre o evidenziare la variazione Utilizzo della variazione naturale già esistente all interno della specie Incrocio sessuale tra due parentali scelti opportunamente (intercross) Analisi della progenie alla ricerca di una nuova combinazione (ricombinanti) creatasi tramite la meiosi tra gli alleli dei due parentali

11 Parent 1 Parent 2 F 1 Hybridization (self pollinate) F 2 Recombination

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13 Inizialmente si usava la variabilità intrinseca alla specie studiata, variabilità ereditabile, quindi con base genetica Per ampliare la fonte di variabilità è stato possibile accedere a: varietà/specie selvatiche e/o ancestrali presenti in natura, mutazioni naturali o causate da agenti mutageni, biologia molecolare e le biotecnologie.

14 2- Identificare e selezionare Il primo problema è la scelta dei caratteri da seguire e selezionare. Non si possono seguire tutti i caratteri di interesse allo stesso tempo perché sono troppi! Inoltre alcuni possono essere di non facile o veloce analisi. Spesso poi il materiale di studio è limitato, quindi vanno fatte delle scelte. Il secondo è legato all'efficienza con la quale la selezione può essere svolta. Di solito si analizza il fenotipo come indice del genotipo, ma il fenotipo è molto influenzato dall'ambiente e spesso varia in modo continuo (rendendo difficile la selezione).

15 Es. la resa è influenzata da molti geni, ma anche dal clima, dal tipo di terreno e dai fertilizzanti usati. Caratteri importanti per il breeding sono legati alla resa (yield) in termini di: 1.prodotto finale (la parte della piante che viene poi usata), 2.stabilità negli anni e nelle diverse condizioni ambientali, 3.qualità del prodotto 4.impatto ambientale (fertilizzanti, pesticidi, etc.) 5.adattabilità a climi e ambienti

16 Come si fa a selezionare?? Varietà Auto-fecondanti, Autocompatibili Mass selection bulking of selections Pure line test each selection separately Varietà auto-incompatibili, Allogame Mass selection Current selection Backcross Marker-assisted selection

17 Selezione massale - Selezione basata sulla diversità genetica della popolazione - Non viene creata ulteriore variabilità - Selezione in base al fenotipo - Miglioramento delle performance base dell intera popolazione

18 Selezione per linea pura Steps: 1) Coltivazione di una popolazione variabile, selezione e raccolta individui interessanti 2) Distribuzione in file degli organismi selezionati 3) Valutazione delle migliori file, raccolta del semi e semina in più località 4) Moltiplicazione commerciale Ottenimento di cultivar omogenee geneticamente Durata: 7-10 anni

19 Selezione ricorrente Creazione di variabilità Cycle 0 random mate I parentali vengono incrociati in tutte le combinazioni possibili. Valutazione delle piante create Nuovo gruppo di genitori selezionati Incrocio in tutte le combinazioni possibili, Cycle 1 formazione di nuove generazioni Lento e ambiente dipendente

20 Lo sviluppo dei marcatori molecolari a DNA ha cambiato irreversibilmente la genetica ed il miglioramento vegetale. Marker assisted selection (MAS). MAS comporta l uso di marcatori a DNA che sono strettamente associati a loci target di interesse, agendo quindi come sostituti o come assistenti allo screening fenotipico. Seguendo quindi l allele del marcatore molecolare le piante che posseggono un gene o un QTL (quantitative trait locus) particolare possono essere identificate sulla base del loro genotipo piuttosto che del loro fenotipo. Si ha quindi una maggiore efficienza ed efficacia nel breeding

21 Vantaggi: 1) Più semplice dello screening fenotipico 2) La selezione può essere fatta allo stadio di giovane plantula 3) Possibilità di seguire più caratteri contemporaneamente

22 Esempio di selezione MAS Scopo: ottenere un individuo resistente ad entrambi i patogeni

23 Quando si fa Miglioramento Genetico si possono avere due scenari particolari: 1) P1e P2 sono equivalenti 2) P1 e P2 non sono equivalenti

24 Backcross o reincrocio: re-incrocio tra un ibrido F1 e uno dei suoi parentali (ricorrente) non per creare nuove varietà ma per aumentare la % di genoma del ricorrente a scapito del donatore. Ci vogliono 5-6 BC come minimo, ma anche di più, per completare la pulizia del genoma.

25 - The F 1 contains 50% genes from each of the two parents - Repeated backcrossing would systematically increase the proportions of gene from the recurrent parent - At least 6-7 Backcrossing

26 Markers can be used to greatly minimize the amount of donor chromosome.but how? Conventional backcrossing TARGET GENE c c F1 BC1 BC2 BC3 BC10 BC20 Marker-assisted backcrossing TARGET GENE c Ribaut, J.-M. & Hoisington, D Marker-assisted selection: new tools and strategies. Trends Plant Sci. 3, F1 BC1 BC2

27 Ci sono 3 livelli di selezione con marcatori da applicare nel backcross. Nel 1 livello i marcatori servono per screenare gli individui con il carattere di interesse (target trait), ad es. Resistenza ad un patogeno Target locus Marker-assisted backcross 1- TARGET LOCUS SELECTION

28 Marker-assisted backcross 2- RECOMBINANT SELECTION RECOMBINANT SELECTION Nel 2 livello si selezionano gli individui nella progenie che hanno sia il locus target sia dei marcatori un po meno vicini. Step 1 select target locus BC1 Step 2 select recombinant on either side of target locus OR

29 BACKGROUND SELECTION Marker-assisted backcross 3- BACKGROUND SELECTION Nel 3 livello si seleziona la progenie (che ha il locus target) con il maggior numero di marcatori background. Si scartano quelli che hanno più marker del donatore e si tengono quelli che ne hanno di più del ricorrente. Si velocizza il processo.

30 CONVENTIONAL BACKCROSSING MARKER-ASSISTED BACKCROSSING P 1 x P 2 P 1 x P 2 P 1 x F 1 P 1 x F 1 BC1 SELEZIONE FENOTIPICA DI BC1; SCELTA DELLE PIANTE PIÙ SIMILI AL GENITORE RICORRENTE BC1 UTILIZZO DEI MARKER BACKGROUND PER SELEZIONARE LE PIANTE CON MAGGIOR % DEL GENOMA DEL RICORRENTE BC2 BC2

31 3- Stabilizzazione e moltiplicazione Specie ad impollinazione incrociata (autoincompatibili): erba medica, legumi, barbabietola, etc. Si lavora con popolazioni di piante eterozigoti e non con linee singole omozigoti, la popolazione sarà un insieme di diversi fenotipi con le caratteristiche volute. In alcuni casi la progenie ottenuta dalla crescita di queste sementi sarà ancora utilizzabile per la semina, in altri casi la semente andrà acquistata ogni volta perché la generazione successiva avrà caratteristiche inferiori. Specie Autocompatibili Linee inbred (congenito): frumento, orzo, riso, soia, pisello, pomodoro, tabacco, etc. Specie autoimpollinanti omozigoti, dopo la selezione della linea d'interesse questa viene autoimpollinata fino a diventare omozigote.

32 In alcuni casi però: The plant at the far left is noninbred, the plant second from left was produced by one generation of self-pollination, and the two plants on the right were produced by two generations of self-pollination. Inbred plant B73 (left), inbred plant Mo17 (middle), and hybrid plant B73 x Mo17 (right)

33 Sementi ibride: mais, cipolla, sorgo, pomodoro, etc. Sementi ottenute da uno specifico incrocio di due linee parentali che produce una progenie con alta eterosi (alto grado di eterozigosità) ed un maggiore vigore rispetto alle due linee parentali.

34 Per il mais per esempio si procede emasculando manualmente la linea 'materna. L'ampiezza del vigore ibrido sembra essere correlata con la diversità genetica tra le due linee parentali. Phenotypic heterosis in the B73 Mo17 hybrid. Representative B73, Mo17, and F 1 hybrid ears and plants are shown. Note the increased size of the two hybrid ears and three hybrid rows relative to the two inbred parents

35 Comparison Modern Plant Biotechnology Conventional Plant Breeding Gene to be transferred Any genes from any organisms (e.g., bacteria, plants, yeast, animals, humans, etc.) Only genes from plants of the same species or compatible groups of plants Methods of gene transfer Time to achieve new plants Cost of plant breeding Technology Genetic engineering Less than two years highly expensive Very advanced and difficult Selection and hybridization More than two years Less expensive Basic and simple