Miglioramento genetico: l’ideotipo di pianta del XXI secolo Elisabetta Lupotto Stefano Cavigiolo Diego Greppi Castello d’Agogna, 19 dicembre 2007 Temperate japonica Oryza sativa ssp. Japonica Tropical japonica Oryza glaberrima Oryza sativa ssp. Indica zona tropicale 45°parallelo Nord Aspetti prioritari della ricerca sul riso nel mondo ¾Resistenza alle avversità: Resistenza agli stress biotici: patogeni ed insetti Resistenza agli stress abiotici: carenza idrica, salinità e freddo ¾Incremento della produttività Meccanismi genetici alla base della produttività: ibridi, eterosi e varietà competitive ¾Qualità nutrizionale e qualità merceologica ¾Conservazione e valorizzazione delle risorse genetiche, sia autoctone che estere, caratterizzazione e catalogazione della biodiversità e impiego mirato nel breeding MEZZI DI INDAGINE: Dal miglioramento genetico convenzionale alle biotecnologie ed alla genomica e post-genomica ¾Impiego dei marcatori molecolari in aiuto al breeding: MAS per tratti qualitativi MAS per resistenza a patogeni MAS per genotipizzazione e impiego mirato della biodiversità ¾Le biotecnologie: piante geneticamente modificate e lo stato attuale della situazione mondiale Aspetti prioritari della ricerca sul riso nel mondo ¾Resistenza 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 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 Cina: Sviluppo di ibridi ed associazione di caratteri elite con l’ibrido Volume e profondità radicale come indicatore di resistenza Carenza idrica e salinità alla carenza idrica 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) Progetto CEE - VI FP CEDROME (INCO-CT2005-15468) 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 Dal miglioramento genetico convenzionale alle biotecnologie ed alla genomica e post-genomica ¾Impiego dei marcatori molecolari in aiuto al breeding: MAS per tratti qualitativi MAS per resistenza a patogeni MAS per genotipizzazione e impiego mirato della biodiversità ¾Le biotecnologie: piante geneticamente modificate e lo stato attuale della situazione mondiale 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 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 Gene frg > Frg è localizzato sul cromosoma 8 > Frg codifica per l’enzima Betaina Aldeide Deidrogenasi (BAD2) coinvolto nel metabolismo della 2 AP 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 Varietà aromatiche Apollo Venere Asia Fragrance Gange Giano ANALISI DI SEQUENZIAMENTO Delezione di 8bp ACTGGTATATA-------------TTTCAGAGCTGCTCCTATGGTTAAGGTTTGTTT ACTGGTAAAAAGATTATGGCTTCAGAGCTGCTCCTATGGTTAAGGTTTGTTT Varietà NON aromatiche SNP Carnaroli Maratelli Gigante Vercelli Baldo Polimorfismi offrono opportunità di costruire un “marcatore universale” per l’aroma 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 aromatiche non aromatiche Tecnologia molecolare in aiuto al breeding Eterozigoti 257 bp Roncarolo Razza Gigante Akitakomachi Sasanishi Pecos Jefferson B82 Bengal Cocodrie Dellmont Dellrose Dixie Drew Loto Minerva Perla Scirocco Selenio SIS R215 Tejo Koral Fragrance Karnak Thaibonnet Balilla Baldo Carnaroli Aiace Apollo Ariete Arpa Asia Augusto Brio Centauro Creso Delfino Eurosis Gange Giano Gladio 580 bp Cigalon Cripto Lido Arborio Ribe Vialone nano Redi S. Andrea Volano Roma Maratelli Rosa M. Navile Italico Screening del germoplasma con marcatori per aroma 355 bp Varietà aromatiche Apollo- Asia- Gange- Giano- Fragrance- Cocodrie- Dellmont- Dellrose Introduzione di 22 genotipi di riso caratterizzati da alleli di resistenza ad ampio spettro a Magnaporthe (Pyricularia) grisea Resistenze genetiche: ¾oltre 30 geni R sono stati mappati sui cromosomi di riso ¾Geni con ampio spettro di resistenza ¾Varietà di riso Italiane antiche e attualmente coltivate sono in larga maggioranza suscettibili Esempi di marcatori molecolari direttamente polimorfici Pi 7- D25527 (STS) Pi 5 - 40N23 (STS) DOMINANTE CODOMINANTE Presenza-Assenza Insertion-Deletion Analisi dei marcatori molecolari sulle 80 varietà della collezione Donatore gene Pi-5 Risultato dell’analisi con 12 marcatori molecolari per 6 geni di resistenza nelle 80 varietà della collezione ¾Impiego dei marcatori molecolari in aiuto al breeding: MAS per tratti qualitativi MAS per resistenza a patogeni MAS per genotipizzazione e impiego mirato della biodiversità ¾Conservazione 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 ¾Le biotecnologie: piante geneticamente modificate e lo stato attuale della situazione mondiale 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 Dimensione del genoma (milioni di basi) Arabidopsis 125 Mb Drosophila 180 Mb Riso 400 Mb Mais 3000 Mb Uomo 3000 Mb Frumento 16000 Mb Eu Call AGR GEN RES 06 1.03.2007 – 28.02.2010 6 European Partners Caratterizzazione genomica per la conservazione e la valorizzazione del germoplasma di riso europeo EURIGEN www.tecnoparco.org/eurigen Banca Germoplasma Riso CRA.ISCE Vercelli Accessioni totali caratterizzate 247 (2004) 382 (2006) Accessioni italiane: 209 Accessioni estere: 173 Conservazione per seme del germoplasma (130-150 g per genotipo) in codizioni controllate (T 4°C, UM <60%) Genotipizzazione con marcatori SSR (24 markers sui 12 cromosomi) su 227 varietà di riso italiano ed estero 4 151S 170S 93S 21R 59R 82R 73S 62M 51S 15M 153M 50M 3H 66M 179S 162S 78S 167M 81M 63M 2 3 164M 80S 86M 138M 13H 14S 75H 65S 68S 116R 132S 143S 125H 145S 131H 61M 29H 71S 165S 8S 23S 24S 16S 53S 6S 133S 177S 172S 154S 160S 84H 163H 146S 52S 161S 19H 7S 47H 57H 126M 178M 149S 119H 5 40S 10S 6 112H 58S 76S 38S 32S 70S 37M 55S 1S 54S 18S 95S 30S 99S 150S 42S 1b 1a 134S 142S 157S 152S 60M 94H 33S 34S 27H 9M 69S 43H 130S 89H 22R 48M 45H 5S 155H 25S 26H 72S 11S 156S 110H 169H 117S 17S 171R 35R 92R 83H 1c 168S 85S 44H 141S 79R 180M 147S 118H 67H 114H 158H 12S 4S 124S 148H 28H 135S 115S 91S 87S 173M 88H 36S 106H 2H 140H 64R 41S 121H 137S 39S 20S 56S 46S 31S 127S 123S 129S 128S 49S 120H 102S 139S 144S 174S 100H 98S 175H 109S 136S 176S 101M 105S 74H 103S 113S 122H 7 97H 96M 77H 104S 111M 90S 107H 108S 159H 166S 8 ¾Impiego dei marcatori molecolari in aiuto al breeding: MAS per tratti qualitativi MAS per resistenza a patogeni MAS per genotipizzazione e impiego mirato della biodiversità ¾Conservazione 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 ¾Le biotecnologie: piante geneticamente modificate e lo stato attuale della situazione mondiale Global status of commercialized Biotech/GM Crops: 2006 BRIEF 35 Clive James - Chair ISAAA (International Service for the Acquisition of Agri-biotech Applications) Global status of commercialized BIotech/GM Crops: 2006 BRIEF 35 Clive James - Chair ISAAA (International Service for the acquisition of Agri-biotech Applications) 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 Prospettive di incremento produttivo per il riso mediante l’impiego delle biotecnologie Grazie per l’attenzione e I nostri migliori auguri di Buone Feste!