Miglioramento genetico: l`ideotipo di pianta del

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!