Introgressione di geni di resistenza per i principali patogeni del

Centro di Ricerca per
l’Orticoltura
Nuove tecniche di miglioramento genetico
delle piante e valorizzazione delle risorse
genetiche vegetali d’interesse agrario
9 Marzo 2016
Consiglio per la ricerca in agricoltura e l’analisi dell’economia agraria
Roma
Nuove tecnologie per il miglioramento genetico delle piante agrarie, Roma, 9 Marzo 2016
T. Cardi
CREA – Centro di ricerca per l’orticoltura
Pontecagnano
Risorse genetiche vegetali d’interesse agrario
Centro di Ricerca per
l’Orticoltura
Varietà locali (LR)
 -Resilienza e adattabilità ad ambienti di coltivazione
particolari
-Buone caratteristiche qualitative organolettiche e
nutrizionali
-Legame socio-culturale con il territorio
 -Suscettibilità a diverse malattie e parassiti
• Uso diretto in agricoltura
• Uso indiretto come fonte di geni
per il miglioramento genetico e
l’innovazione varietale
-Bassa produttività
-Ridotta uniformità
Crop wild relatives (CWR)
 - Presenza di caratteri “wild” desiderati (es. resistenza
a stress) non presenti nelle varietà coltivate
 - Non adattabilità alle condizioni di coltivazione
- Presenza di caratteri “wild” indesiderati
- Bassa produttività
Nuove tecnologie per il miglioramento genetico delle piante agrarie, Roma, 9 Marzo 2016
• Uso indiretto come fonte di geni
per il miglioramento genetico e
l’innovazione varietale
NPBT e Risorse genetiche vegetali d’interesse agrario
Centro di Ricerca per
l’Orticoltura
• LR, Landraces; HV, Heirloom varieties; CWR, Crop Wild Relatives. SDN-1, gene knock-out; SDN-2, gene editing; SDN-3, gene replacement
Nuove tecnologie per il miglioramento genetico delle piante agrarie, Roma, 9 Marzo 2016
Cardi T. 2016 Cisgenesis and Genome Editing: combining concepts and efforts
for a smarter use of genetic resources in crop breeding, Plant Breed., in press
Centro di Ricerca per
l’Orticoltura
NPBT e Risorse genetiche vegetali d’interesse agrario
Uso diretto
Uso indiretto
LR originale
SDN-1
LR/CWR originale
SDN-2
LR migliorata
Mutagenesi mirata
Modificazione di uno o
pochi nucleotidi in un gene
di una varietà target
Nuove tecnologie per il miglioramento genetico delle piante agrarie, Roma, 9 Marzo 2016
Varietà originale
SDN-2
SDN-3
Varietà migliorata
Sostituzione allelica
(cisgenesi nello stesso
locus)
Trasferimento mirato di un gene in una varietà
target da una specie sessualmente compatibile
o da altre varietà della stessa specie
Centro di Ricerca per
l’Orticoltura
Applicazioni
Gene knockout (SDN-1)
Gene editing (SDN-2)
Crop
Trait
Gene
Technology
Rice
Resistance to bacterial blight
SWEET14;
SWEET13
TALEN;
CRISPR/Cas9
Fragrance
BADH2
TALEN
Seed storability
LOX3
TALEN
Bread
wheat
Resistance to powdery mildew
MLO-A1, MLOB1, MLO-D1
TALEN
Maize
Phytate biosynthesis
IPK1
ZFN
Leaf epicuticular wax
composition
glossy2 (gl2)
TALEN
Leaf development; Male
fertility; Herbicide resistance
LIG1; Ms26,
Ms45; ALS1,
ALS2
CRISPR/Cas9
Soybean
Profile and unsaturation level
of seed fatty acids
FAD2-1A and
FAD2-1B
TALEN
Poplar
Lignin content; Condensed
tannin content
4CL1; 4CL2
CRISPR/Cas9
Potato
Accumulation of reducing
sugars after cold storage and
acrylamide after hightemperature processing
VInv
TALEN
Accumulation of steroidal
glycoalkaloids
SSR2
TALEN
Plant development
PROCERA
(PRO)
TALEN
Leaf development
ARGONAUTE7
(SlAGO7)
CRISPR/Cas9
Fruit ripening
RIN
CRISPR/Cas9
Virus resistance
eIF4E
CRISPR/Cas9
Tomato
Cucumber
Crop
Trait
Gene
Technology
Maize
Herbicide
resistance
ALS2
CRISPR/Cas9
Soybean
Herbicide
resistance
ALS1
CRISPR/Cas9
Tobacco
Herbicide
resistance
ALS SuRA
and SuRB
ZFN
Gene replacement / stacking (SDN-3)
Nuove tecnologie per il miglioramento genetico delle piante agrarie, Roma, 9 Marzo 2016
Crop
Trait
Gene
Technology
Maize
Phytate production /
Herbicide resistance
IPK1 / PAT
ZFN
Herbicide resistance
PAT
CRISPR/Cas9
Cotton
Herbicide resistance
hppd, epsps
I-CreI–based
engineered
meganuclease
Tomato
Anthocyanin
biosynthesis
ANT1
TALEN,
CRISPR/Cas9
Cardi T. 2015 Cisgenesis and Genome Editing: combining concepts and efforts for
a smarter use of genetic resources in crop breeding, Plant Breed., in press
Domesticazione e diversità genetica
Centro di Ricerca per
l’Orticoltura
“Rewilding”
 La domesticazione prima e il miglioramento
genetico poi hanno determinato un “collo di
bottiglia genetico”.
 Durante la domesticazione, solo pochi geni sono
stati selezionati in modo attivo e hanno
determinato grandi cambiamenti del fenotipo. Altri
alleli, non coinvolti in caratteri d’interesse, non
sono stati selezionati e sono andati persi.
Introgression breeding
(Genome Editing)
Tanksley and McCouch 1997 Seed Banks and Molecular Maps: Unlocking
Genetic Potential from the Wild. Science 227, 1063
Palmgren et al. 2015 Are we ready for back-to-nature crop breeding? Trends
Plant Sci 20, 155
 La cisgenesi e il Genome editing consentono di
reintrodurre nelle specie coltivate, in maniera mirata, gli
alleli “positivi” per una maggiore adattabilità a stress,
perduti durante la domesticazione.
 Piante “più robuste” così prodotte potrebbero aiutare a
superare il gap produttivo delle coltivazioni biologiche.
Andersen et al. 2015 Feasibility of new breeding techniques for organic
farming.
Trends per
Plant
Sci 20, 426 genetico delle piante agrarie, Roma, 9 Marzo 2016
Nuove
tecnologie
il miglioramento
Centro di Ricerca per
l’Orticoltura
* Joint contribution from 5 French farmer and seed associations to the High Council for Biotechnology
Nuove tecnologie per il miglioramento genetico delle piante agrarie, Roma, 9 Marzo 2016
Centro di Ricerca per
l’Orticoltura
Grazie per l’attenzione
Nuove tecnologie per il miglioramento genetico delle piante agrarie, Roma, 9 Marzo 2016
[email protected]