Miglioramento genetico assistito dalla genomica

Miglioramento genetico assistito dalla genomica
Miglioramento genetico assistito dalla genomica
Selezione delle piante sulla base del loro profilo ai marcatori genetici
molecolari e non sulla base del fenotipo, in una o più delle fasi di un
programma di miglioramento genetico
Da Wikipedia: Marker-assisted selection (selezione assistita da marcatori)
Processo con il quale un marcatore (morfologico, biochimico o basato sul DNA/RNA), è
usato per la selezione indiretta di uno o più determinanti genetici che controllano un
carattere di interesse.
Miglioramento genetico assistito dalla genomica
PRO e CONTRO della selezione assistita
PRO
•  Per molti caratteri, lo screening con marcatori è meno costoso della valutazione fenotipica
•  La selezione assistita con marcatori può essere svolta coni piccole quantità di tessuto (es. parte di
seme) e non richiede di attendere l’espressione fenotipica del carattere nella pianta adulta
•  I risultati del profilo molecolare non sono influenzati da fattori ambientali
•  La selezione è efficace anche per caratteri a bassa ereditabilità
•  I marcatori consentono di piramidare (concentrare) più geni per lo stesso carattere (es. geni di
resistenza) nella stessa pianta (la selezione fenotipica è poco efficiente per lo stesso obiettivo)
•  Rilascio di nuove varieta’ piu’ breve di 2-3 anni rispetto ai metodi convenzionali (6-7 invece che 8-10)
CONTRO
•  Per essere applicata per un determinato carattere, occorre che sia stata stabilità l’associazione tra il
carattere ed un marcatore in studi precedenti
•  Richiede la disponibilità di piattaforme tecnologiche e programmi di breeding specifici
•  Diffusa nelle specie agrarie principali, a causa degli alti costi fissi richiesti dalla disponibilità delle
tecnologie molecolari e della necessità di avere a disposizione conoscenze genetico-molecolare della
specie
•  Persistente mancanza di conoscenza su vari aspetti del controllo genetico dei caratteri complessi (es.
interazioni ‘effetto-marcatore-A’ x ‘effetto-marcatore-B’ oppure interazioni marcatore x ambiente)
Miglioramento genetico assistito dalla genomica
PRINCIPALI FORME DI SELEZIONE ASSISTITA
1. Selezione basata su loci (QTL/geni) mappati
•  Marker-assisted selection (MAS) = Selezione assistita da marcatori
•  Marker-assisted backcrossing (MABC) = reincrocio assistito da marcatori
•  Breeding by design (BBD)
•  Marker-assisted recurrent selection (MARS) = selezione ricorrente
assistita da marcatori
2. Selezione con marcatori senza informazioni di mappa di QTL/geni
•  Genomic selection (GS) = Selezione genomica
Miglioramento genetico assistito dalla genomica
Punti di partenza:
1.  conoscenza del controllo genetico del carattere e
2.  tecnologia = possibilità di analizzare un alto numero di campioni a basso
costo (ad un costo ed efficienza competitivi con la selezione basata sul
fenotipo)
•  Sia per preparazione del DNA sia per tipo di marcatore
- Preparazione del DNA
…procedure high-throughput a
basso costo per campione
1. Selezione basata su loci mappati
 
MAS: MARKER-ASSISTED SELECTION (selezione assistita da
marcatori)
  Le piante sono selezionate sulla base del profilo molecolare ad uno
od alcuni loci ( fino a 4-6)
 
MABC: MARKER-ASSISTED BACKCROSS (Reincrocio assistito da
marcatori)
  Caso particolare di MAS in cui alleli favorevoli al breeding, ad uno o
più loci) sono trasferiti da un genitore donatore ad una linea elite
tramite vari cicli di reincrocio e selezione assistita con marcatori.
 
BBD: BREEDING BY DESIGN
  A seguito della definizione dell’ideotipo, si progettano incroci multipli
per concentrare nella stessa linea elite la migliore combinazione di
alleli, a loci diversi e per caratteri anche molto diversi, con l’obiettivo di
raggiungere l’ideotipo.
Marcatori per MAS
•  I marcatori devono essere strettamente concatenati (< 5 cM) ai loci
target loci o, idealmente, entro al gene di interesse
•  I marcatori devono essere verificati (presenza del polimorfismo e
concatenazione con il locus target) nei background genetici di
interesse, prima del loro utilizzo
•  I marcatori dovrebbero essere preferibilmente codominanti
•  E’ in molti casi necessario produrre un tipo di marcatore utilizzabile
con tecniche high-throughput a basso costo (eg. SNP) a partire
dall’informazione originale di associazione “marcatore – fenotipo”, In
ordine di adattabilità alla MAS possiamo elencare:
meno adatti > RFLP, RAPD, AFLP, SSR, STS, SCAR, SNP > più adatti.
Sviluppo di un test PCR codominante di tipo STS
per MAS in frumento duro
M13
C-specific Fw primer
3’
Colosseo ATTGCATCTATCTTAAGTAGGT............GTACGTACGTCTGTCAA…………
Lloyd
5’
L-specific Fw primer
3’
ATTACATCTAGCTGAAGTAGGC............GTACGTACGTCTGTCAA……….
3’
M13
Genome-specific Rv primer
Colosseo
142 bp
LLoyd
123 bp
RIL CxL
Kb
1.0
0.5
0.2
0.142
0.1
0.123
2.5% Agarose gel
5’
Piramidazione a due loci di resistenza
Select homozygotes
Collard and Mackill, 2008
for R1 and R2
Selezione assistita con marcatori per sviluppare cultivar
di frumento duro resistenti alla Fusariosi
Locus 1
(QTL 5A)
Locus 2
(QTL 5A)
Locus 3
(QTL 3B)
Profili molecolari di piante F2
Da: Enrico Noli, DipSA, University of Bologna
Differenze varietali di resistenza al SBCMV
Marker-assisted backcrossing (MABC) =
Reincrocio assistito da marcatori
a) 
Selezione per l’allele maggiormente associato al gene (allele) target fornito dal genitore
donatore.
a
1
2
3
4
Target locus
‘TARGET GENE/
QTL’ SELECTION
from: Collard and Mackill, 2006
Marker-assisted backcrossing (MABC) =
Reincrocio assistito da marcatori
a) 
Selezione per l’allele maggiormente associato al gene (allele) target fornito dal genitore
donatore.
b) 
Selezione per gli alleli del genitore ricorrente ai marcatori fiancheggianti il gene target, per
ridurre il ‘linkage drag’ a fianco del gene target.
a
1
b
2
3
4
1
2
3
4
Target locus
‘TARGET GENE/
QTL’ SELECTION
‘RECOMBINANT’
SELECTION
from: Collard and Mackill, 2006
Marker-assisted backcrossing (MABC) =
Reincrocio assistito da marcatori
a) 
Selezione per l’allele maggiormente associato al gene (allele) target fornito dal genitore
donatore
b) 
Selezione per gli alleli del genitore ricorrente ai marcatori fiancheggianti il gene target, per
ridurre il ‘linkage drag’ a fianco del gene target
c) 
Selezione per gli alleli del genitore ricorrente nel resto del genoma (opzionale)
a
1
b
2
3
4
1
c
2
3
4
1
2
3
4
Target locus
‘TARGET GENE/
QTL’ SELECTION
‘RECOMBINANT’
SELECTION
‘
BACKGROUND’
SELECTION
from: Collard and Mackill, 2006
Marker-assisted backcrossing (MABC) =
Reincrocio assistito da marcatori
75.5
87.7
85.5
93.3
98.0
0.5
1.0
1.5
0.5
1.0
1.5
96.4
100.0
2.0
10
50
from: Ribaut e Hoisington, 1998
Vantaggi del reincrocio assistito rispetto al convenzionale
•  Più veloce recupero del genoma del genitore ricorrente (spesso
cultivar elite) e riduzione del problema del ‘linkage drag’
•  Come qualunque tipo di MAS, non è influenzato da fattori ambientali
•  Efficiente selezione di alleli recessivi e di individui con eventi di
ricombinazione vicini al gene target
•  Miglior uso delle risorse del programma di breeding in quanto il
numero di linee da mantenere per ciclo di reincrocio ed il numero di
cicli da svolgere sono inferiori rispetto al programma tradizionale.
Esempio di piramidazione di geni/QTL
From: Takeda and Matsuoka, 2008
Trait(s)
Gene/QTLs
Foreground
selection
Background
selection
Reference
Bacterial blight
Xa21
STS
RFLP
Chen et al. (2000)
Bacterial blight
xa5, xa13 and
Xa21
STS, CAPS
not performed
Sanchez et al. (2000)
Bacterial blight +
quality
xa13, Xa21
STS and SSR
AFLP
Joseph et al. (2004)
Blast
Pi1
SSR
ISSR
Liu et al. (2003)
Deep roots
QTLs on chrs. 1, RFLP and SSR
2, 7 and 9
SSR
Shen et al. (2001)
Quality
waxy
AFLP
Zhou et al. (2003)
Root traits and
aroma
QTLs on chrs. 2, RFLP and SSR
7, 8, 9 and 11
RFLP and SSR
Steele et al. (2006)
Subemergence
tolerance
Sub1 QTL
phenotyping and
SSR
SSR
Mackill et al. (2006)
Subemergence
tolerance, disease
res., quality
Subchr9 QTL,
Xa21, Bph and
blast QTLs and
quality loci
SSR and STS
not performed
Toojinda et al. (2005)
RFLP
Gupta et al. (2010). Molecular Breeding.
Gupta et al. (2010). Molecular Breeding.
La filiera del
frumento duro
Ricerca
precompetitiva
Industria
sementiera
Agricoltore
Industria
alimentare
Consumatore
Caratteri selezionati presso la PSB, Argelato
Malattie
Morfo-fisiologici
Oidio
Ruggine
bruna
Qualità
Altezza
Contenuto
proteico
Caratteri
spiga
Indice
giallo
Resistenza
al freddo
Qualità
glutine
Ruggine
gialla
Septoria
tritici
Fusariosi
Resistenza
alla siccità
Courtesy of Andrea Demontis, PSB, Argelato
DON
large
large
small
small
QTL
effect
QTL
effect
Selezione genomica