21/10/2010
Le Proposte della Piattaforma
Tecnologica Italiana
“ Plants for the Future”
GRANOITALIA 2010 -BolognaCRA FIOR
1
2
3
4
5
6
7
1
2
3
4
5
6
7
1
2
3
4
5
T. aestivumChinese Spring
A
B
?
6
A. Michele STANCA UniMORE
7
?
D
1
D
2
3
4
5
6
7
Ae.t auschii
......Accade talvolta che possano nascere figli
somiglianti agli avi,e spesso riproducenti le
sembianze dei bisavoli, perche' i genitori
celano spesso nel corpo molti primordi
commisti in molteplici guise che lungo il
percorso della stirpe trasmettono dai padri
nei figli fin dall'origine;
.............................................
• 220.000 specie presenti sul pianeta (mono e dicotiledoni)
Lucrezio
De Rerum Natura IV
• 5.000 usate dell’uomo per i propri fabbisogni
• 1.500 addomesticate
• 150 quelle oggi maggiormente impiegate
• Oggi 4 specie forniscono il 60% delle calorie alimentari
1
21/10/2010
La PIATTAFORMA si e' posta
l'Obiettivo di contribuire a
Garantire Alimenti ed Energia a
Tutti sul Pianeta Terra
“ FEEDING TEN BILLION”
Delle Quattro Research
Challenges,
Tre hanno un ruolo di forte
interazione
Pubblico-privato
It PLANTS for the FUTURE
si basa principalmente sulla
Gene Revolution
che a sua volta si avvale di tutte
le discipline per
individuare,caratterizzare e
utilizzare al meglio la funzione
del gene/i
Parte dai Risultati dell'
IDEOTYPE BREEDING,
si sviluppa lungo il percorso della
GENOMICA
e si definisce come
BREEDING BY DESIGN
2
21/10/2010
Una mutazione al gene Rht di frumento
C
……CCGGTA T GACCAATGCTGAATGATCGTA…… Gene
Rht
RhtRht-B1b GENE IS A VERY LUCKY GENE
The Rht-B1b mutation is a nucleotide substitution that
creates a stop codon
NLS
DNA binding
domain
NLS
DNA binding
domain
T-for C substitution converts the CGA codon to a stop
codon TGA
The translational termination of the mutant stop codon in
Rht-B1b-permits translational reinitiation at one of the
several methionines that closely follow this stop codon
3
21/10/2010
TRAITS
To cope with
Model of Breeding progress in cultivated species
in the last 100 years
Heat shock
Diseases
Lodging
Increasing CO2
Light
Cold
SALT
Soil of
low fertility
WATER
anoxia
drought
IONS
acid
alcaline
Heavy metals
La scoperta del DNA (1953)
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21/10/2010
GENOMICA per il FOOD
GENETICA
studia il
Genoma
(l’intero
contenuto di
DNA di una
Cellula)
GENOMICA
Indice Glicemico di pane arricchito
Blood Glucose Increment (mmol/L)
Pane con 20% di frazione di orzo ottenuta dopo
estrazione in acqua e liofilizzazione ha un Indice Glicemico
inferiore del 28% rispetto al pane bianco
20% WF
bread wheat
Glucose
3
Nuovi Formulati di Pasta,
Pane e Biscotti
Farine e Semole Speciali
di tipo Funzionale
ben caratterizzati per le molecole in
essi contenuti e
pronti per conquistare nuovi mercati
Composti antiossidanti nel
riso
γ-Orizanolo
Tocoli
(Vitamina E)
2
1
Polifenoli
0
0
20
Cavallero et al., J. Cereal Sci., 2002
40
60
80
100
120
Time (min)
5
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Polifenoli presenti nel riso nero:
Polifenoli presenti nel riso rosso:
Hu et al., J. Agric. Food Chem, 51: 5271-5277 (2003)
Finocchiaro et al., Mol. Nutr. Food Res., 2007
Antocianidine
Proantocianidine
Genomica non Food
AVENANTRAMIDI
Beta-GLUCANI
NUOVI PRODOTTI per produzione
di BIOENERGIA
- Incremento delle quantita' di
Biomassa per unita' di Superficie
- Elevata qualita' delle biomasse
destinate alle fermentazioni
es. basso contenuto di lignina
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21/10/2010
Sistemi analitici molecolari
per la tracciabilità
di specie vegetali,
animali, microbiche
Biodiversità
Variazione tra gli individui che compongono una
popolazione della stessa specie-tra specie-tra sistemi
10
90,9
88,7
86,5
84,3
71
82,1
79,9
77,7
75,4
73,3
68,8
66,6
64,4
62,2
1
100%
80%
70%
50%
0%
0,1
NTC
0,01
Certificazione
dell’autenticità
Ret e agrome teo
Mod ello
FHB-risk
In dice TOX
Cl asse
1
2
3
4
5
An no
TOX≤1 0
1 0<TOX≤1 5
1 5<TOX≤2 0
2 0<TOX≤2 5
TOX>2 5
Var
Var
iabile
(righe)
Var
Variabile
iabile
iabile (righe)
(righe)
(righe)
Andamento
Andamento
Andamento
Andamento
tagionale
tagionale
sssstagionale
tagionale
C lasse
Sp eci e
1
Orzo
2
Gra no te nero
3
Gran o du ro
1
1
11
Class
Class
(colonne)
Class
Classii ii(colonne)
(colonne)
(colonne)
22
2
33
3
44
4
2
3
4
5
5
55
1
1
11
Zona
Zona
Zona
Zona
Specie
Specie
Specie
Specie
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22
33
3
3
Variet
Variet
Variet
Varietà
àà
à
Preces
Preces
sione
Preces
Precessione
sione
sione
Lavoraz
Lavorazione
ione
ione
Lavoraz
Lavoraz
ione
4
4
44
55
5
5
Cl asse
1
Precessi on e
Ortag g i
2
Rin no vo – Pra to - Altro
3
6
6
66
C erea li
Cla sse
Tipo di la vora zione del suol o
1
A rat ura - Sc asso
2
Lavorazi one se nza
ri volt ament odel la zol la
3
Se mi na su sodo –
minimum t ill age
Vari et à
Cla sse
Orzo
Gran o ten ero
Grano d uro
1
Ba rak a
B ol ero - Bol og na - En esco N o bel - Pa dern o - Pan da s
Co lo sseo N eod ur
2
Amil lis Mat ti na
Bi la nci a - Ise ngra in - Mi et i - Mo l
- Va io le t
Oro be l
3
Fede ral
A ma rok - Cen ta uro - Eu reka Gu ad al up e - S erio - S oi sson s
C reso - Du il io
-S imet o
4
Expre ss
Bla sco - S ag it tari o
S a n C arl o
Genomic -assisted Analysis and
Exploitation of Barley Diversity
The Approach
a
Identify broad associations in a collection of ~ 450 barley
cultivars
EXBARDIV
Screen a less inbred collection (~ 500 barley landraces with lower
linkage disequilibrium) at a subset of genes across the region for
association with the trait
Repeat at higher resolution (~ saturation gene level) in a wild barley collection
Involving sequencing
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21/10/2010
Fenotipizzazione
Essential tools
3000 High throughput Illumina SNP markers, most with known map locations
Expected results
The direct outputs of this Project are alleles of great
potential use to barley breeding. Breeders need
these alleles for sustainable, environmentally benign
crop production in the face of climate change and
this Project will deliver these. All the Project outputs
will be freely available for industrial exploitation via
the Barley Repository and the EXBARDIV database.
Furthermore, the demonstration that association
genetics works in barley will prompt other users to
use this approach, not just in barley but in potentially
every European crop plant species.
AGRONOMIA
BIOTECNOLOGICA
CO2
N U E
P U E
W U E
patogeni
altri insulti (Temperature,
ecc.)
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21/10/2010
Hv-WRKY38 Genomic Position
THE NEW BARLEY CONSENSUS FUNCTION MAP
Locating drought tolerance QTLs currently available in the barley literature plus
QTLs for yield adaptation to drought in the ‘NxT’.
Molecular Marker Technology
Uso del DNA per
selezionare piante
resistenti
Piante resistenti
MAS
Molecular Assisted Selection
Piante suscettibili
Piante resistenti
Piante suscettibili
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DNA chip technology
GeneChip Affymetrix
3242 genes up-/down-regulated in response to
drought in at least one genotype/condition.
The GeneChip® Wheat Genome Array contains 61,127 probe sets representing 55,052 transcripts for all 42 chromosomes
in the wheat genome.
Sequence information for this array includes public content from the bread wheat Triticum aestivumUniGene Build #38
(build date April 24, 2004). Also included are ESTs from the wheat species T. monococcum, T. turgidum, and Aegilops
tauschii, and GenBank® full-length mRNAs from all species through May 18, 2004.
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21/10/2010
Genes induced in the 5A deletion line
Phenotypic
selection in
multilocational
trials including
stressed and
stress-free
environments
Identification of physiological
traits associated to high yield
and drought tolerance
Selection based
on physiological
traits
MAS for
QTL
New cultivars
with improved
drought
tolereance
13 Transposons
and retrotrasposons
61 unknown genes
MAS for
single
genes
Transformation
in elite cultivars
Detection of
QTL for yield
in stressed
and stressfree
environments
Comparing QTLs for yield with
QTLs for drought-related traits
QTL cloning (positional cloning
or candidate genes)
Identification of “candidate
genes”
Molecular analysis of drought
response (functional genomics)
VIBRANT and COMPETITIVE
RESEARCH
- FUNZIONE dei GENI
- FUNZIONE delle PROTEINE
- Interazione Proteina-proteina
- Interazione Gene-Proteina
TF-RNAi-PAC ecc.
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PLANT ARTIFICIAL CHROMOSOMES
PACs
PACs could be easily introduced or removed
from a genotype by genetic crosses and to
introgress transgene into different
backgrounds
Filmato RNA
CRA FIOR
CRA – GPG
Fiorenzuola d’Arda
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2
3
4
5
6
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4
5
6
7
A
T. aestivumChinese Spring
MiPAAF – Direzione Generale dello Sviluppo Rurale
Div IV – Ricerca e Sperimentazione
IL PROGETTO SEQUENZIAMENTO
GENOMA FRUMENTO
B
?
?
D
1
D
2
3
4
5
6
7
Ae.t auschii
Progetto Internazionale
Sequenziamento Genoma Frumenti
Mappa fisica del cromosoma 5 A
I CONSORZI
• International Wheat Genome Sequencing Consortium
(IWGSC- http://www.wheatgenome.org/) Coordinatore: Kellye A. Eversole – Bethesda, USA
• European Triticeae Genome Initiative
(ETGI - http://www.etgi.org) Coordinatore: Catherine Feuillet – INRA, Clermont-Ferrand, France
• Sviluppo di librerie BAC e mappe fisiche cromosoma o braccio
cromosomico specifiche
________________________________________________________________________________________________________
Via S. Protaso 302 – 29017 Fiorenzuola d’Arda (PC) – Tel. +39 0523 983758-9 Fax +39 0523 983750 – Email [email protected]
Sequenziamento basato su mappe fisiche già realizzate
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21/10/2010
Un genoma è come tante orchestre
FORMAZIONE
- Spiegare perche' il CRESO non produce
granella radioattiva
- NON stancarsi di spiegare che cosa e' la
Trasformazione Genetica
- Accendere Consorzi pubblico-privati o
tutto privati (Svegliatevi!)
- Chiarire il Ruolo degli Agricoltori
- Gli Agricoltori con un minimo di
tecnologia ricominciano ad usare
semente aziendale
E' UN LORO DIRITTO ?
Imperativo Categorico:
Organizzare Progetti in forma
integrata, in modo che dai
risultati di alta tecnologia si
passi allo sviluppo di Nuovi
Prodotti e Processi competitivi a
livello Mondiale
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21/10/2010
Agrogen: fornire conoscenze su geni e funzioni geniche
rilevanti per i caratteri di interesse agronomico del
frumento duro
“Laboratorio pubblico-privato di
GENomica per caratteri di importanza
AGROnomica in frumento duro:
identificazione di geni utili, analisi
funzionale e selezione assistita con
marcatori molecolari per lo sviluppo della
filiera sementiera nazionale ”
Parentali
F2
DM 18092 del 31 Ottobre 2006 (G.U. del 18 Novembre 2006 n. 269)
Fornire strumenti molecolari per la
selezione di nuove varietà di frumento duro
R E R
ALIQUAL: Nuovi Alimenti di Alta Qualita'
a Base di Cereali Mediante lo sviluppo di
una filiera sostenibile
Siteia: Interazione Pubblico-Privato di
Molecular Breeding
Fondazioni delle Casse Di Risparmio
AGER: Frumento duro e Riso
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21/10/2010
2 - 2,5 MILIONI di QUINTALI di
SEMENTE CERTIFICATA
“SMALL GRAIN CEREALS”
Sono molto appetiti anche dall'industria
sementiera nord africana
YIELD ENHANCEMENT GENES
SI
Future strategie di miglioramento attraverso:
PIANTE AGRARIE
Caratteri di importanza agronomica: produttività, qualità, resistenza a stress, produzioni non-food, ecc
Genoma
Trascrittoma
Proteoma
Metaboloma
“Sistems Biology” o Biologia dei Sistemi
Struttura del Genoma
Database di sequenze,
proteine,
metaboliti
Funzione e Regolazione dei Geni
Interazione Genica
Struttura e Funzione delle Proteine e
Interazione tra geni e interazione tra proteine, identificazione
della funzione dei geni e di tappe metaboliche
AZIONI DEL PIANO
Siamo in grado nel brevebreve-medio termine di
rispondere ai nuovi scenari agroambientali?
Definizione delle basi molecolari (genotipo) dei caratteri agronomici (fenotipo)
Tappe Metaboliche Coinvolte
Espressione Fenotipica della Pianta
RICADUTE
Competitività internazionale, attivazione di un “sistema nazionale” per la genomica in agricoltura, sviluppo di
nuovi prodotti e nuove filiere agroalimentari.
nell’Azienda Agraria
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La Moderna Agricoltura si Fonda sui
Principi della Biologia !
Per TUTTI !
Sin dall'Antichita' l'Agricoltura
si e' Basata sulla Scienza e la
Tecnologia
e
OGGI?
CRA FIOR
1
2
3
4
5
6
7
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2
3
4
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T. aestivumChinese Spring
A
IL PROGETTO SEQUENZIAMENTO
GENOMA FRUMENTO
B
?
?
D
1
D
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3
4
5
6
RICERCA GENETICA
7
Ae.t auschii
IL PROGETTO ITALIANO
• All’iniziativa italiana è stato assegnato il cromosoma 5A caratterizzato dalla
presenza di geni importanti per diversi caratteri di interesse nazionale.
• Mappa Fisica 5A: La strategia generale che verrà seguita per la realizzazione della
mappa fisica dei due bracci del cromosoma 5A si basa sulla suddivisione del
genoma in singole frazioni contenenti un solo braccio cromosomico e sulla
costituzione di librerie BAC braccio specifiche.
• Le informazioni genomiche generate dalle iniziative internazionali per il
sequenziamento saranno utilizzate per lo sviluppo di attività pilota dedicate allo
studio funzionale di geni coinvolti nella determinazione di caratteri qualitativi e di
resistenza a stress biotici e abiotici.
FONDAMENTALE
APPLICATA
SVILUPPO
Struttura – Funzione del Genoma
• Fattori di trascrizione
• Splicing alternativo
• RNAi
• Nuove varietà per usi
convenzionali e non
BIOTECNOLOGIE
• Nuovi prodotti
• Nuovi processi
• Epigenetica
• MAS (caratteri
semplici e continui)
• MicroRNA
• Trasformazione
• Bioinformatica
• Tracciabilità
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CRA FIOR
CRA FIOR
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IL PROGETTO SEQUENZIAMENTO
GENOMA FRUMENTO
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T. aestivumChinese Spring
T. aestivumChinese Spring
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IL PROGETTO SEQUENZIAMENTO
GENOMA FRUMENTO
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Ae.t auschii
GLI OBIETTIVI
PIANO DI ATTIVITA’
1. Sviluppo di una libreria BAC cromosoma o braccio cromosomica specifica;
2. Fingerprinting dei cloni BAC per la realizzazione di contigs attraverso un protocollo
automatizzabile;
3. Realizzazione di una mappa di restrizione del cromosoma 5A tramite tecniche di
sequenziamento ad elevato parallelismo;
4. Ancoraggio dei contigs alla mappa genetica e a quella di restrizione del frumento
duro e tenero e mappaggio di geni per caratteri agronomici del frumento duro
localizzati sul 5A;
5. Sequenziamento delle estremità terminali dei cloni BAC (BAC End Sequenze –
BES) per lo sviluppo di marcatori per l’ancoraggio dei conting alla mappa genetica;
6. Studio funzionale di geni del cromosoma 5A coinvolti nella determinazione di
caratteri qualitativi, di resistenza a stress abiotici e di resistenza a stress biotici.
Attività n.1 - Realizzazione di risorse genomiche necessarie per il mappaggio fisico
del cromosoma 5A di frumento
Attività n. 2 - Ancoraggio dei BAC contigs alla mappa genetica
Attività n. 3 - Identificazione e studio funzionale dei geni del cromosoma 5A coinvolti
nell’espressione di caratteri di rilevanza agronomica: qualità, resistenza a malattie,
resistenza a stress abiotici.
Impegno:
2/3 Mappa fisica
1/3 Funzionale
Durata 3 anni
CRA FIOR
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IL PROGETTO SEQUENZIAMENTO
GENOMA FRUMENTO
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PARTECIPANTI
CRA FG - MT
MET AGROBIOS
UNI UD - PD –
MORE - BO
CRA-GPG
Fiorenzuola
UNI BA - LE
ENEA
CRA ROMA
Parco Tecnologico
Padano (Lodi)
UNI VT
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Collaborazioni esterne
BIOPOLO = Consorzio Biopolo-Dauno, Foggia
CNR-IBBA = Istituto di Biologia e Biotecnologia Agraria del CNR, Milano
INRAN = Istituto Nazionale di Ricerca per gli Alimenti e la Nutrizione, Roma
PROGETTO DI RICERCA
9.800.000 € (finanziamento = 6.100.000)
PROGETTO DI FORMAZIONE = 1.200.000 €
(12 borse di studio triennali)
ISTA = Istituto Agronomico per lo Studio delle Colture Mediterranee, Busto
Arsizio (VA)
SSG = Stazione Sperimentale per la Granicoltura di Caltagirone (CT)
Uni-MI = Dipartimento di Scienze Biomolecolari e Biotecnologiche - Università
degli Studi di Milano
Uni-VT = Dipartimento di Agrobiologia e Agrochimica dell’Università degli Studi
della Tuscia di Viterbo
Uni-UD = Dipartimento di Produzione Vegetale e Tecnologie Agrarie,
dell’Università degli Studi di Udine
Centro di Ricerca
per la Cerealicoltura
Sequenziamento
TILLING
Licor
Centro di Ricerca
per la Cerealicoltura
Expression
analysis
ABI
3130
Real-time PCR
Identificazione di
marcatori ed analisi
funzionale di geni
Microsatelliti
Luminex
SNPs
Uso di marcatori
molecolari per MAS
in grano duro
cDNA-AFLP
Biomeck 3000
TRAP
AGROGEN piattaforma di genomica per lo
sviluppo e l’uso di marcatori molecolari
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Centro di Ricerca
per la Cerealicoltura
Metabolic profiling
Composti volatili
Acidi grassi
Lignani
Anioni
Cationi
Zuccheri
Amminoacidi
GC-MS
LC- MS/MS
Cromatografo ionico
Messa a punto di
metodiche analitiche
per semola e pasta
Analisi di popolazioni
segreganti per il
mappaggio dei
caratteri
HPLC
Vitamine
Carotenoidi
P/ACE™ MDQ
Flavonoidi
Ac. Fenolici
Terpenoidi
Metalli
ICP
Agrogen: dettaglio delle attività
• Sviluppo di mappe genetiche per lo studio di caratteri di
rilevanza agronomica in frumento duro
• Analisi delle basi genetiche della capacità produttiva del
frumento duro
• Marcatori associati a geni di resistenza a stress biotici in
frumento duro
• Marcatori associati a loci per caratteri legati alla qualità in
frumento duro
• Metodi innovativi per la certificazione varietale
• Individuazione e studio funzionale di geni chiave per
tolleranza allo stress idrico
• Profiling trascrizionale ed analisi proteomica di processi
chiave per la produzione e la qualità in frumento duro
• Studio funzionale di geni coinvolti nella qualità del frumento
duro
• Sviluppo di programmi di selezione assistita con marcatori
molecolari (MAS)
AGROGEN piattaforma di metabolomica
per la fenotipizzazione qualitativa
Background
Cultivated barley can profit from
the introduction of new alleles
from wild and landrace barley.
Conventional pre-breeding
programs take a long time and it
is often unclear which donor
lines should be used.
Goal
To establish an incremental
association mapping approach
based on different population
types for the discovery of new
gene alleles in wild and
landrace barley which can be
exploited for crop breeding.
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Association mapping
a
a
a a
a
a
a
a a
a
a
a a
A Problem
a
a
a
a
a
a
a
a
a
= Genotype (marker)
= Trait
a
Phenotypic Data Collection
Linkage extends up to ~ 30cM in collections of cultivated
barley chromosomes, because they are so highly interbred
University of Dundee Andy Flavell
The EXBARDIV Consortium
MPIZ Koln - Klaus Pillen
MTT Finland - Alan
Schulman
IPK-Gatersleben Andreas Graner
CRA - Fiorenzuola d'Arda
- Luigi Cattivelli
University of Copenhagen
- Soeren Rasmussen
Scottish Crop Research
Institute, Invergowrie Joanne Russell
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