Elementi di Genetica Vegetale Roberto Tuberosa Dipartimento di Scienze agrarie Viale Fanin 44 Tel. 051-2096646 roberto.tuberosa@unibo.it www.distagenomics.unibo.it
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: 8855531239 Nuona Edizione
Elementi di Genetica Vegetale Titolo: Genetica e genomica Autori: Barcaccia Gianni, Falcinelli Mario Editore: Liguori Volume 1, 2, 3 ISBN: 8820737426 ISBN-13: 9788820737429 Data pubblicazione: 2005-2007
1961 1965 1969 1973 1977 1981 1985 1989 1993 1997 2001 2005 2009 2013 2017 2021 2025 2029 2033 2037 2041 2045 2049 Produzione globale di cereali 4500 4000 3500 Target Current trend Climate change 3000 Million Tonnes 2500 2000 1500 1000 500 0
Scorte mondiali di cereali NEL 2000 BASTAVANO AD ALIMENTARE L UMANITÀ PER 115 GIORNI
Scorte mondiali di cereali NEL 2008 BASTAVANO PER 57 GIORNI
Nuove piante ad usi non alimentari
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 1966 0,25 ha. in 1998 0,15 ha. in 2050
Febbraio 2006 Agosto 2008
Variazioni nella resa previste per il 2080. Ewert et al. 2005. Variazione in resa (%) +70% -70% < 10% di terreni arabili
Resa (t ha -1 ) Produttività del mais (t ha -1 ) negli USA 93 88 L incremento produttivo dovuto al miglioramento genetico è imputabile per lo più ad un aumentata resistenza agli stress abiotici (Duvick, 1999).
Fattori limitanti della produzione e della qualità del prodotto Ozono Caldo Freddo Stress abiotici Siccità Eccesso idrico Metalli pesanti Salinità Elementi nutritivi
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
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
Dimensione del genoma Arabidopsis 130.000.000 paia di basi Riso 440.000.000 Pomodoro 900.000.000 Mais 2.500.000.000 Frumento 16.000.000.000 Homo sapiens 3.000.000.000
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
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
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.
Sviluppo di una nuova varietà tramite selezione assistita con marcatori molecolari Parentale suscettibile Parentale resistente X Reincrocio assistito con marcatori Gene
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
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: 413 423
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
530 530 530 500 500 500 495 495 495 Profili AFLP di cultivar di frumento duro 460 460 460 530 500 495 460 400 400 400 400 364 364 364 364 350 350 350 350 300 300 300 300 255 255 255 255 204 200 204 200 204 200 204 200 145 145 145 145 100 100 100 100 50 50 50 50 Courtesy of Enrico Noli & colleagues, LARAS, DISTA
Mappe genetiche: le autostrade della genomica
LOD Profilo valore LOD
Profilo valore LOD LOD QTL
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.
Dal QTL al gene alla ricerca dell ago nel pagliaio
Resistenza alla siccità Precocità di fioritura escape (fuggire) Profondità radice avoidance (evitare)
Vegetative to generative transition 1 (Vgt1) Gaspé Flint N28E N28 Salvi et al., 2007. Proc. Nat. Acad. Sci. 104: 11376 N28E N28
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
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