Elementi di Genetica Vegetale

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1 Elementi di Genetica Vegetale Roberto Tuberosa Dipartimento di Scienze agrarie Viale Fanin 44 Tel

2 Elementi di Genetica Vegetale Genetica Agraria F. Lorenzetti, S. Ceccarelli, F. Veronesi Editore: Patron, Bologna Vecchia Edizione Genetica Agraria Genetica e biotecnologie per l'agricoltura F. Lorenzetti, S. Ceccarelli, D. Rosellini Editore: Pàtron Bologna SBN: Nuona Edizione

3 Elementi di Genetica Vegetale Titolo: Genetica e genomica Autori: Barcaccia Gianni, Falcinelli Mario Editore: Liguori Volume 1, 2, 3 ISBN: ISBN-13: Data pubblicazione:

4 Produzione globale di cereali Target Current trend Climate change 3000 Million Tonnes

5 Scorte mondiali di cereali NEL 2000 BASTAVANO AD ALIMENTARE L UMANITÀ PER 115 GIORNI

6 Scorte mondiali di cereali NEL 2008 BASTAVANO PER 57 GIORNI

7 Nuove piante ad usi non alimentari

8 cattive notizie Eccessivo utilizzo di fertilizzanti e fitofarmaci Aumento dell uso di combustibili fossili Aumento dell erosione dei suoli Ogni anno, 1% di superficie irrigua è persa Le risorse irrigue stanno diminuendo 2.5 miliardi di persone in più nel 2050 Raddoppio della domanda di alimenti entro il 2050 Superficie coltivata disponibile pro-capita: 0,45 ha. in ,25 ha. in ,15 ha. in 2050

9 Febbraio 2006 Agosto 2008

10 Variazioni nella resa previste per il Ewert et al Variazione in resa (%) +70% -70% < 10% di terreni arabili

11 Resa (t ha -1 ) Produttività del mais (t ha -1 ) negli USA L incremento produttivo dovuto al miglioramento genetico è imputabile per lo più ad un aumentata resistenza agli stress abiotici (Duvick, 1999).

12 Fattori limitanti della produzione e della qualità del prodotto Ozono Caldo Freddo Stress abiotici Siccità Eccesso idrico Metalli pesanti Salinità Elementi nutritivi

13 La rivoluzione del gene: un nuovo paradigma Sequenziare l intero genoma di una specie Valutare l espressione dei geni Selezionare sulla base di profili molecolari Isolare singoli geni Ingegneria genetica

14 Il contributo delle biotecnologie Techniche di colture in vitro: - micropropagazione - produzione di doppi aploidi - criopreservazione Tecnologie di processo Genomica - profili molecolari - mappatura del genoma - selezione assistita - genomica funzionale - clonaggio di geni/qtl Ingegneria genetica

15 Dimensione del genoma Arabidopsis paia di basi Riso Pomodoro Mais Frumento Homo sapiens

16 Frequenza Caratteri monogenici e poligenici Monogenici Caratteri Mendeliani Variazione discontinua Nullo o scarso l effetto dell ambiente Poligenici Caratteri quantitativi Variazione continua Notevole l effetto dell ambiente Altezza pianta

17 GENETICA QUANTITATIVA Analisi di caratteri la cui variabilità è determinata sia dai geni che dai fattori ambientali Geni Genotipo Ambiente Apporto idrico, fertilizzanti, temperatura, ecc. Fenotipo Per caratteri quantitativi il fenotipo è scarsamente informativo circa il genotipo che lo determina

18 Miglioramento genetico delle colture agrarie SELEZIONE BASATA SUL FENOTIPO: Si seleziona sulla base della variabilità osservata a livello fenotipico. Agisce sul fenotipo in toto. SELEZIONE BASATA SUL GENOTIPO: Si seleziona tramite il profilo molecolare (DNA) a loci associati ai geni preposti al controllo dei caratteri di interesse agronomico. Agisce su regioni precise del genoma.

19 Sviluppo di una nuova varietà tramite selezione assistita con marcatori molecolari Parentale suscettibile Parentale resistente X Reincrocio assistito con marcatori Gene

20 Selezione assistita con marcatori (MAS) La MAS viene utilizzata in molti programmi di selezione Riduce i tempi per costituire nuove varietà migliorate Va integrata con metodiche tradizionali Le strategie genomiche aumentano l efficacia della selezione e richiedono estese conoscenze molecolari e fisiologiche

21 Courtesy of Jonathan Lynch Courtesy of Jonathan Lynch Quantitative Trait Loci for root architecture traits correlated with drought tolerance and phosphorus acquisition in common bean Beebe et al. (2006). Crop Science 46:

22 Selezione assistita per tolleranza a fusariosi in frumento duro Collaborazione: DipSA-UniBO Società Produttori Sementi Spa Bologna S S S S S R S S S S S S S S S S S R S Piante che portano l allele di resistenza alla fusariosi

23 Profili AFLP di cultivar di frumento duro Courtesy of Enrico Noli & colleagues, LARAS, DISTA

24 Mappe genetiche: le autostrade della genomica

25 LOD Profilo valore LOD

26 Profilo valore LOD LOD QTL

27 QTL GENOMICA Fenotipo Genotipo Sequenza Geni X Mappa genetica (cm) Mappa fisica (kb) Sequenza DNA Annotazione DNA Varshney R. and Tuberosa R. (2007). Genomics-Assisted Crop Improvement, Springer.

28 Dal QTL al gene alla ricerca dell ago nel pagliaio

29 Resistenza alla siccità Precocità di fioritura escape (fuggire) Profondità radice avoidance (evitare)

30 Vegetative to generative transition 1 (Vgt1) Gaspé Flint N28E N28 Salvi et al., Proc. Nat. Acad. Sci. 104: N28E N28

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32 Attività di MAS per i maggiori stress abiotici Tipo di stress QTL maggiori QTL clonato MAS in atto Rilascio di cvs. Siccità + Sì + No Sommersione Sì Sì Salinità Sì No Basso N + + Sì No Basso P + + Sì + + No Alluminio + + Sì Sì Boro Sì Sì Freddo + + Sì + No

33 Nuove linee Sub1 dopo 17 giorni di sommersione Samba IR42 IR64-Sub1 Samba-Sub1 IR49830 (Sub1) IR64 Samba IR42 IR49830 (Sub1) IR64 IR64-Sub1 Samba-Sub1 IR49830 (Sub1) Samba IR42 IR64 IR64-Sub1 IR42 IR49830 (Sub1) IR64-Sub1 IR49830 (Sub1) Samba Samba- Sub1 IR64 Courtesy of David Mackill, IRRI