La biodiversità: una risorsa essenziale della natura. Conoscenza e valorizzazione attraverso la scuola
2010: Anno Internazionale della Biodiversità
L’utilizzazione della biodiversità
nel miglioramento genetico
delle piante
DOMENICO CARPUTO
[email protected]
Università degli Studi di Napoli Federico II
Facoltà di Agraria
Napoli, 29 aprile 2010. Stazione Zoologica ‘A. Dohrn’, Villa Comunale
Sommario
!Introduzione
!Che cosa è il miglioramento genetico
!Uso della biodiversità vegetale: alcuni
esempi
-Gli ibridi sessuali
-Le biotecnologie cellulari
-Le biotecnologie molecolari
I NUOVI SCENARI
La “risorsa” agroindustriale
miliardi di persone
Crescita della popolazione mondiale
crescita della popolazione mondiale
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
1750 1800 1850 1900 1950 2000 2050 2100
anno
Source: United Nations Populations Division, World
Population Prospects: The 2000 Revision, Vol 1 (New
York:2001)
Risorsa suolo per le produzioni primarie
Ex USSR
US
Spain
Brazil
France
S. Africa
Mexico
Nigeria
India
Pakistan
Indonesia
China
Hectares per
person 2050
Hectares per
person 1992
0
0,2
0,4
0,6
0,8
Source: Dennis T. Avery, Saving the Planet With Pesticides
and Plastic: The Environmental Triumph of High-Yield
Farming (2000)
1
OGGI
=
6.8 miliardi
2050
=
9.5 miliardi
+
Lotta chimica?
Nuove esigenze dell’uomo
•Disponibilità di cibo in tutte le aree del
pianeta
•Agricoltura sostenibile
•Qualità e sicurezza alimentare
•Capacità di produrre bioenergia, farmaci
•Decontaminazione suoli ed acqua
•………..
-aumentare le aree
coltivabili
-aumentare H2O,
concimi etc
Migliorare le
agrotecniche
Aumentare l’efficienza
produttiva delle piante
Migliorare la qualità
Costituire varietà resistenti
alle avversità
Miglioramento della struttura
genetica delle piante
MIGLIORAMENTO GENETICO
Alcune tappe fondamentali
9000 AC
Prime prove di domesticazione in tra Tigri ed Eufrate
1694 Camerarius dimostrò la presenza di fenomeni sessuali nelle piante. Suggerì la
pratica deell’incrocio per ottenere nuovi tipi di piante
1714 Mather descrisse gli incroci naturali in mais
1761-1766 Kohlreuter demonstrò che gli ibridi ereditano i caratteri da entrambi i genitori e
che per molti di questi caratteri sono a metà tra i 2 genitori
1866 Mendel esegue gli esperimenti sulle piante di pisello
1900 Riscoperta delle leggi di Mendel
1944 Avery, MacLeod, McCarty scoprono che il DNA è il materiale ereditario
1953 Watson e Crick propongono il modello della doppia elica del DNA
1970 Borlaug riceve il premio Nobel per la Rivoluzione Verde
Berg, Cohen e Boyer propongono la tecnologia del DNA ricombinante (OGM)
1994 Il pomodoro ‘FlavrSavr’ è il primo OGM
1995 E’ prodotto il mais Bt
2000 E’ sequenziato il genoma di Arabidopsis thaliana
Domesticazione
Teosinte
Mais
L’ETEROSI
Un fenomeno noto da tempo
Mulo
Ibrido interspecifico noto
dal 3000 AC
Il fenomeno dell‘eterosi (= vigore ibrido)
L’eterosi rappresenta l’incremento in produzione, velocità di accrescimento,
resistenza etc. che si manifesta nelle progenie derivanti dall’incrocio tra linee
omozigoti distanti geneticamente
10
Trait value (e.g. yield)
8
eterosi
–
= F1- P
6
–
P = (P1+P2)/2
4
B73
P1
B73 x Mo17 Mo17
F1
P2
2
0
P1
F1
P2
IL “DOGMA CENTRALE” DEL
MIGLIORAMENTO GENETICO
Produzione di variabilità genetica
Selezione
Rilascio nuova
varietà
Riduzione della variabilità genetica
Specie spontanea
Pianta domesticata
Moderna varietà
LA BIODIVERSITA’ VEGETALE
"Evoluzione naturale
"Sistema biologico complesso
Bilancio energetico migliore
"Specie non utilizzate ora lo potrebbero essere in futuro
"Attività commerciali
"Interesse medico
"Fonte di geni utili per migliorare le varietà coltivate
Sommario
!Introduzione
!Che cosa è il miglioramento genetico
!Uso della biodiversità: alcuni esempi
-Gli ibridi sessuali
-Le biotecnologie cellulari (la fusione somatica)
-Le biotecnologie molecolari (la trasformazione genetica)
I metodi classici: l’incrocio sessuale
Specie selvatica
Specie coltivata
Impollinazione
Frutti con semi
I metodi classici: l’incrocio sessuale
Specie donatrice
Varietà coltivata
(biodiversità)
X
Gene di interesse
Progenie
=
Resistenze trasferite con ibridazione
sessuale interspecifica
SPECIE
COLTIVATA
AVVERSITA’
SPECIE DONATRICE
Avena sativa
Oidio
A. barbata
Beta vulgaris
Cercospora
B. marittima
Phaseulus vulgaris
Antracnosi e
batteriosi
P. acutifolius
Triticum aestivum
Ruggine
T. timophevii
Malus domestica
Ticchiolatura
M. floribunda
Solanum tuberosum
Peronospora
S. demissum
Ibridazione interspecifica:
alcune strategie
1. Incroci tra specie con stesso n.ro cromosomico
Glycine max (2n=2x=40) x G. soja (2n=2x=40)
Zea mays (2n=2x=20) x Z. mexicana (2n=2x=20)
2. Incroci tra specie con
!
n.ro cromosomico
Solanum tuberosum (2n=4x=48) x S. chacoense (2n=2x=24)
Ipomoea batatas (2n=6x=90) x I. trifida (2n=2x=30)
Mutazioni meiotiche
Meiosi I
Interfase
Meiosi II
Prodotti
meiotici
MACROSPOROGENESI
Normale
os/os
12
12
12
12
12
12
12
12
12
24
24
12
24
24
12
12
12
12 II
12
12 II
MICROSPOROGENESI
Normale
ps/ps
12 II
12
12
12
12
12
12
12 II
12
12
12
12
24 24
Ingegneria genomica
4x S. tuberosum
aploidizzazione
2x S. tuberosum x 2x S. chacoense
.
IBRIDO 2x
x
4x S. tuberosum
(gameti 2n)
selezione
NUOVA POPOLAZIONE 4x
selezione
Gli ibridi somatici
Resistente:
•Phoma lingam
•Lipaphis pseudobrassicae
•Phytomyza horticola
(+)
Brassica napus
•stress idrico
Brassica tournefortii
Gli ibridi somatici
#
#
#
#
Un caso studio: la patata
S. bulbocastanum (2n=2x=24, 1EBN)
Valle Toluca
Un caso studio: la patata
tbr
blb
tbr aploide
HF
blb
tbr (+) blb
cv Desiree
Selezione assistita
CAPS 1
Una sequenza di DNA
associata ad una parte
2,3 cM
del genoma (es. gene di 0,25 cM
resistenza xyz1)
0,5 cM
T 64
xyz1
1
Rdr
GCG
3,7 cM
CAC
Selezione assistita
L’analisi del DNA consente di:
$ evitare i test di patogenicità
$ selezionare precocemente le piante,
accelerando i tempi della selezione
Resistente
(R)
DNA DNA
R
S
Suscettibile
(S)
$ valutare la stessa pianta per geni di
resistenza a vari patogeni
Trasformazione genetica
Piante transgeniche
Specie
Transgene
Carattere modificato
Mais
Cry 1A(b)
Resistenza a lepidotteri
Mais
Barnase
Maschiosterilità
Pomodoro
ACC-sintasi
Maturazione ritardata
Soia
Delta desaturasi
Aumento di acido oleico
Patata
Cry 3A
Resistenza a coleotteri
Patata
CP
Resistenza a virus
Cotone
EPSPS
Resistenza a glifosate
Colza
ACP tioesterasi
Aumento di acido laurico
Bietola
CP
Resistenza a virus
Melone
Sam-K
Maturazione ritardata
Piante transgeniche
Specie
Carattere modificato
Patata
Composizione dell’amido
Bietola
Composizione dello zucchero
Colza
Composizione dell’olio
Tabacco
Sintesi di xilosio
Patata
Sintesi di glicogene
Erba medica, mais
Digeribilità del foraggio
Petunia, crisantemo
Colore/forma del fiore
Patata
Sintesi di proteine
Trasformazione genetica
Trasformazione genetica
La selezione delle piante resistenti
Phenotype
Genotypes, #
Susceptible (S)
4 (7%)
Moderately Susceptible
(MS)
14 (25%)
Moderately Resistant
(MR)
26 (45%)
Resistant (R)
13 (23%)
Totale
57
Bradeen et al. 2009, MPMI
Foliar resistance and RB copy number/transcript level
Bradeen et al. 2009, MPMI
www.pbglab.it
