Tecnologie genomiche avanzate e bioinformatiche applicate al miglioramento genetico di specie vegetali GENOPOM-PRO RISORSE GENETICHE E LORO UTILIZZO NEL MIGLIORAMENTO GENETICO Prof.ssa Concetta Lotti Dipartimento di Scienze Agrarie, degli Alimenti e dell Ambiente Università di Foggia Via Napoli, 25 71100 Foggia concetta.lotti@unifg.it
Programma sintetico del corso Biodiversità e definizione di risorse genetiche vegetali L erosione genetica: definizione, cause e valutazione del rischio La domesticazione e lo sviluppo dell agricoltura Centri di origine e di diversificazione delle specie Origine della biodiversità Metodologie di conservazione delle risorse genetiche Caratterizzazione delle risorse genetiche Utilizzo delle risorse genetiche nel miglioramento genetico: casi studio
COSA SONO LE RISORSE GENETICHE (R. G.)? Insieme di materiali genetici già individuati, raccolti e classificati dall uomo, oppure non ancora disponibili nè noti, che possono comunque essere impiegati come base per i lavori di miglioramento genetico
TIPOLOGIE DI RISORSE GENETICHE Specie spontanee (wild species) Parenti spontanei delle forme domesticate (wild relatives) Ecotipo (ecotype) Varietà locali (local varieties, landraces, farmer s varieties, folk varieties) Varietà migliorate (bred varieties) Specie che non hanno subìto il processo di domesticazione (ad esempio molte piante medicinali, forestali e foraggere), di utilità diretta o indiretta, attuale o potenziale. Specie vicine a quelle coltivate, che comprendono sia i diretti progenitori da cui è partita la domesticazione delle forme coltivate, sia altre specie vicine che possono essere utilizzate in programmi di miglioramento genetico tramite incrocio. È una popolazione spontanea adattata a un determinato ambiente (di solito geograficamente limitato) indipendentemente dall intervento umano (che invece è determinante nella varietà locale). Una varietà locale di una coltura che si riproduce per seme o per propagazione vegetativa è una popolazione variabile, comunque ben identificabile e che usualmente ha un nome locale. Non è stata oggetto di un programma organizzato di miglioramento genetico, è caratterizzata da un adattamento specifico alle condizioni ambientali e di coltivazione di una determinata area ed è strettamente associata con gli usi, le conoscenze, le abitudini, i dialetti e le ricorrenze della popolazione umana che l ha sviluppata e/o continua la sua coltivazione. Derivano da specifici programmi di miglioramento condotti da costitutori di varietà. Sono popolazioni omogenee, spesso costituite da un solo genotipo (linee pure, ibridi semplici, cloni).
LE RISORSE GENETICHE FANNO PARTE DEL CONCETTO DI BIODIVERSITA Variabilità esistente tra organismi viventi, derivanti da ecosistemi terrestri, marini e acquatici, e i complessi ecologici di cui fanno parte; ciò include la diversità entro specie, tra specie e degli ecosistemi (CBD, Earth Summit, Rio de Janeiro, 1992)
EROSIONE GENETICA Concetto che riferisce del declino e/o estinzione delle specie e, comunque, della restrizione del pool genico delle stesse (Scarascia Mugnozza, 1974)
Principali cause di erosione genetica di specie non coltivate Perdita di habitat (es. deforestazione) Inquinamento e cambiamenti climatici Eccessivo sfruttamento di alcune specie Introduzione di specie aliene
IPOTESI SULLA SEQUENZA DELLE FASI DI SVILUPPO DELL AGRICOLTURA Collezionamento delle piante selvatiche da parte dell uomo Diffusione delle piante selvatiche negli habitat e nelle vicinanze delle dimore in cui l uomo da nomade si insediava, ambienti in cui si disperdevano frutti, semi, tuberi e parti di piante Colonizzazione da parte delle piante selvatiche (altamente variabili e preadattate) dei terreni intorno alle dimore e raccolta da parte dell uomo di frutti semi e parti di pianta Isolamento, protezione e selezione di differenti varianti del genotipo selvatico che avrebbero successivamente costituito la flora rudimentale nei dintorni delle dimore dell uomo (fase detta PROTO-AGRICOLTURA) Conservazione da parte dell uomo dei semi e coltivazione del terreno per disporre di una maggiore quantità di cibo e i genotipi allevati diventarono vere e proprie colture (fase detta AGRICOLTURA INCIPIENTE) Miglioramento dei metodi di agricoltura e delle tipologie di piante allevate (fase detta AGRICOLTURA EFFICACE) Passaggio graduale da raccoglitore, cacciatore e pescatore ad agricoltore a tempo pieno
Centri di origine primari e secondari I centri di origine primari sono quelli in cui una specie ha avuto origine (sono presenti anche specie selvatiche affini). I centri di origine secondari sono quelli in cui una specie è stata coltivata per diverso tempo, e dunque ha avuto modo di evolvere nuova variabilità (es. Abissinia è un centro secondario per il frumento).
Risorse Genetiche di diverso tipo corrispondono a gene pools diversi
Domesticazione
Domesticazione La selezione operata dall uomo durante la domesticazione ha generalmente riguardato gli stessi aspetti, tanto che si parla di sindrome di domesticazione. Morfologia Aumento delle dimensioni dei semi e frutti Mancata dispersione dei semi Habitus di crescita determinato Minor numero di ramificazioni e di fiori Ridotta dormienza dei semi Cicli biologici ridotti Fotoperiodo e vernalizzazione alterate Riduzione dei meccanismi e composti di difesa (spine, sostanze velenose, etc.)
Come si generano le risorse genetiche naturali Mutazioni (cambiamenti a livello della sequenza di DNA): puntiformi o cromosomiche Incroci interspecifici
Management delle Risorse Genetiche Accessione Esplorazione e Raccolta germoplasma Conservazione ex situ in situ Moltiplicazione Ringiovanimento Valutazione Caratterizzazione Miglioramento Genetico Varietà
Collezionamento delle risorse genetiche Centri di diversità primari e secondari Una problematica importante è la rappresentatività del campione rispetto alla popolazione di appartenenza dello stesso. In linea generale, la numerosità del campione è direttamente proporzionale alla variabilità genetica osservabile nella popolazione popolazione (da 20 a 100 individui) Generalmente il campionamento casuale, poiché non si sa quali geni potranno rivelarsi utili in futuro. Uno o più siti di raccolta, a seconda che le coltivazioni siano o meno uniformi nella zona di raccolta.
Collezionamento delle risorse genetiche Centri di diversità primari e secondari Una problematica importante è la rappresentatività del campione rispetto alla popolazione di appartenenza dello stesso. In linea generale, la numerosità del campione è direttamente proporzionale alla variabilità genetica osservabile nella popolazione popolazione (da 20 a 100 individui) Generalmente il campionamento casuale, poiché non si sa quali geni potranno rivelarsi utili in futuro. Uno o più siti di raccolta, a seconda che le coltivazioni siano o meno uniformi nella zona di raccolta.
Conservazione in situ ed ex situ Lo scopo della conservazione della biodiversità (e delle risorse genetiche) dovrebbe essere quello di conservare non specie singole, ma gli ecosistemi ai quali esse appartengono e con cui esse co-evolvono. La conservazione in situ rappresenta in tal senso l ottimale, poiché assicura l adattamento del materiale conservato a condizioni in continuo cambiamento. Riproporre dopo centinaia di anni genotipi in (agro)ecosistemi differenti da quelli da cui sono stati collezionati potrebbe significare incapacità di adattarsi alle nuove condizioni (cambiamenti climatici, nuovi patogeni, etc.) La conservazione in situ permette di conservare, oltre a risorse genetiche, biodiversità non riconosciuta (almeno oggi!) La conservazione ex situ è però oggi indispensabile, perché stiamo comunque assistendo ad una perdita di ecosistemi (sovrappopolazione e centri di biodiversità diffusi in regioni povere del pianeta)
Conservazione in situ Per conservazione in situ di materiali non sottoposti a selezione, come gli ecotipi e le forme selvatiche, frequentemente si intende l istituzione di riserve e parchi naturali. Questi ultimi, seppure con qualche limitazione, sono compatibili con la produzione di beni (es. legname, foraggio, fiori e frutti selvatici, miele, etc) e servizi (attività ricreative e turistiche). In ogni modo, perché la conservazione in situ venga ad essere effettuata efficacemente, è necessario che i Paesi che la svolgono siano remunerati per questo.
Conservazione on farm Un tipo particolare di conservazione in situ, applicabile per le antiche varietà locali, è la conservazione on farm. In tal modo, le varietà locali (molto spesso fonte di geni utilissimi per l adattabilità ambientale) non scompaiono e inoltre continuano la loro evoluzione in ambienti di coltivazione. Oltre che alla salvaguardia delle risorse genetiche, la conservazione on farm ha anche positive ricadute sulla riscoperta delle tradizioni locali e la valorizzazione dell ambiente rurale (agriturismo, mantenimento delle popolazioni rurali, etc). E ovvio che la coltivazione on farm richiede misure di incentivazione, come sussidi (vedi misura della Regione Puglia sugli agricoltori custodi), l istituzione di marchi protetti DOP e IGP, canali di commercializzazione dedicati, etc.
Conservazione ex situ La conservazione ex situ delle piante può essere realizzata con modalità differenti, che possono essere sinteticamente raggruppate come segue: collezioni di piante in campo collezioni di semi mantenute in banche di semi o banche del germoplasma collezioni di materiale di propagazione, plantule, tessuti e altro, mantenute in vitro o in crioconservazione.
Metodi di conservazione delle RGV Conservazione in vitro: micropropagazione, propagazione da callo, embriogenesi somatica Crioconservazione
Ringiovanimento e moltiplicazione
Valutazione e caratterizzazione Germoplasma Descrittori (caratteristiche bioagronomiche standardizzate coltura per coltura) Valutazioni di adattabilità a stress biotici e abiotici Marcatori molecolari (caratteristiche della sequenza di DNA) Database Germoplasma