Anna Maria Mastrangelo

ESPLORA
ESPLORAzione della biodiversità vegetale alla ricerca di alleli superiori da
inserire nei programmi avanzati di miglioramento genetico a sostegno
dell’agricoltura nazionale
Individuazione di geni e marcatori utili in specie
cerealicole mediante mappatura per associazione
Anna Maria Mastrangelo
CRA-Centro di Ricerca per la Cerealicoltura,
Foggia
Roma, 6 Novembre 2013
Sviluppo di sistemi genetici per la mappatura per associazione
Collezione di genotipi della
specie di interesse
Caratterizzazione fenotipica
Caratterizzazione
genotipica
Associazioni statisticamente
significative tra marcatori e caratteri
Sviluppo di sistemi genetici per la mappatura per associazione
Analisi del fenotipo
Approccio genome-wide
*
Approccio per geni candidati
*
*
*
*
*
Sviluppo di sistemi genetici per la mappatura per associazione
Di.S.S.P.A.
CRA-CER
*
*
CRA-GPG
CRA-RIS
*
*
*
Sviluppo di sistemi genetici per la mappatura per associazione
26 microsatelliti
900 DaRT
10.000 SNP
Laidò et al. (2013) PLoS ONE 8(6): e67280
Sviluppo di sistemi genetici per la mappatura per associazione
216 CULTIVAR
EUROPEE
PRIMAVERILI
DISTICHE
STRUTTURA DELLA POPOLAZIONE
DISTRIBUZIONE DELLA
DIVERSITÀ GENETICA
6810 GENE-BASED
SNP, MAPPATI
GENETICAMENTE
Il miglioramento genetico ha
Varietà antiche e
modificato le frequenze
moderne geneticamente
alleliche
distinte
Tondelli et al. The Plant Genome 2013
Sviluppo di sistemi genetici per la mappatura per associazione
300 accessioni di riso
Sviluppo di sistemi genetici per la mappatura per associazione
Produzione
Stress abiotici
Obiettivi del
miglioramento
genetico
Qualità della
granella
Patogeni
Qualità della
paglia
Mappatura per associazione di caratteri legati alla risposta a
stress abiotici in orzo
Resistenza al freddo
Fv/Fm dopo acclimatamento e stress a -12°C
Fr-H2
Fr-H1/Vrn-H1
??
Flt-2
??
MAS + Allele mining
Mappatura per associazione di caratteri legati alla risposta a
stress abiotici in riso
- Condizione controllate: serra - 100 accessioni (3 repliche/accessione)
- Condizioni aerobiche - Rilievi a sei settimane
16 caratteri
dell’apparato
radicale
0°-27
27°-45
45°-57
60
cm
57°-90°
Per ogni settore:
-lunghezza radici
-n. radici principali e peli -diametro radici
radicali
-peso secco radici
A201
AKITAKOMACHI
ALLORIO_a
ALPE
APOLLO_a
ARBORIO
ARGO
ARIETE
ARTEMIDE
ASIA
AUGUSTO_a
BALDO
BALILLA_a
BARAGGIA
BERTONE
BIANCA
CALMOCHI_101
CARNAROLI
CASTELMOCHI
CENTAURO_a
CINIA_40
CRIPTO
DELFINO
DELLROSE
DRAGO
DREW
ERCOLE
EUROPA
EUROSIS
FORTUNA
GANGE
GIADA
GIANO
GIGANTE_VERCELLI
GLADIO
GRALDO
GREPPI
GZ6296_a
GZ8367
HANDAO_11_a
HANDAO_297
ITALMOCHI
ITALPATNA_48
JEFFERSON
KORAL
L201
LADY_WRIGHT_a
LAGRUE
LAMONE
LIDO
LORD
LOTO
LUCERO
LUXOR
M204
MARATELLI
MARTE
MELAS
MONTICELLI
NEMBO
ORIONE
OTA
PADANO
PANDA
PECOS
PERLA
PIEMONTE
PLOVDIV_22
PROMETEO
RANGHINO
REDI_a
RINALDO_BERSANI
ROBBIO_SEL1
RODEO
SAKHA_102
SALVO
SANT_ANDREA
SANTERNO
SCUDO
SELENIO
SILLA
SIS_R215
SMERALDO
SUPER
TEJO
TITANIO
ULISSE
UPLA_32_a
UPLA_75
UPLA_77
VENERE
VIALONE_190
VIALONE_N
VOLANO
ZENA
ZHENGSHANG_97
Mappatura per associazione di caratteri legati alla risposta a
stress abiotici in riso
Arborio
Akitakomachi
Lunghezza_totale radici
14000
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
Mappatura per associazione di caratteri legati alla risposta a
stress abiotici in riso
Spessore radici
P-values by Chromosomes for RV_TH
GLM_P
Massa radicale profonda
P-values by Chromosomes for RL_3+4
GLM_P
Mappatura per associazione di caratteri legati alla risposta a
stress abiotici in riso
Fenotipizzazione di 150 accessioni di riso in due condizioni di management
dell’acqua di irrigazione
Maturazione
Fioritura
Sommersione
Coltivazione aerobica
Day
shift
-6/0
gg
La analisi di caratteri fenologici e fisiologici ha
consentito di identificare accessioni che
presentano adattamenti favorevoli alle
condizioni di coltivazione aerobica; di lato si
esemplifica come alcune
accessioni, contrariamente al trend
generale, anticipano fioritura e maturazione
nelle condizioni aerobiche
Day
shift
-22/-6
gg
Mappatura per associazione di caratteri legati alla risposta a
stress abiotici in riso
Sviluppo di sistemi genetici per la mappatura per associazione
Produzione
Stress abiotici
Obiettivi del
miglioramento
genetico
Qualità della
granella
Patogeni
Qualità della
paglia
Mappatura per associazione di caratteri legati alla resistenza
a patogeni in orzo
Resistenza al fungo Pyrenophora graminea
% piante infette dopo inoculo artificiale col ceppo Dg2
ricerca geni candidati in corso
Mappatura per associazione di caratteri legati alla resistenza
a patogeni in riso
Identificazione della base genetica della resistenza durevole al brusone di
Gigante Vercelli
GV
VN
Gigante Vercelli (GV, 1946)
resistenza durevole al
brusone del riso, efficace da
più di 60 anni
Vialone Nano
(VN, 1937)
suscettibile alla
malattia
M. oryzae IT02
Fenotipizzazione di Gigante Vercelli e Vialone
Nano con tre diversi isolati del patogeno
Mappatura per associazione di caratteri legati alla resistenza
a patogeni in riso
Popolazione F2/F3 derivata dall’incrocio di
GV x VN
RM5473
LOD score:16.47
RM302
LOD
Rsq: 32.1 %
LOD score:14.59
Rsq: 27.2 %
LOD
cM
cM
La resistenza durevole di GV è quindi da attribuire a un pyramiding inconscio di
due diversi geni di resistenza
Mappatura per associazione di caratteri legati alla resistenza
a patogeni in frumento duro
24 regioni cromosomiche associate alla resistenza ad
Ug99
Ruggine nera
UG99
Yu
2011
Yu
2012
Yu
2011
Yu
2011
Pozniak
2008
Sr40
Yu
2011
Yu
2011
Sr13
Sr9
Pozniak
2008
University of Minnesota
0
1
2
3
4
Sr22
Mappatura per 6A
associazione di caratteri legati alla resistenza
a patogeni in frumento duro
Ruggine nera
UG99
Cirillo (R) x Neodur (S)
0.0
Ug99
4.3
4.4
121179wPt-7204-6A
374563wPt-6678-NA
5.9
DP167-6A
6.7
63671wPt-8124-6A 349298tPt-3786-6A
379553wPt-11612-NA
8.2
349234tPt-6661-6A
8.9
379028wPt-7655-6A
Sviluppo di sistemi genetici per la mappatura per associazione
Produzione
Stress abiotici
Obiettivi del
miglioramento
genetico
Qualità della
granella
Patogeni
Qualità della
paglia
Mappatura per associazione di caratteri agronomici
Prove agronomiche comparative
• 4 ambienti (Italia, 2 Germania, Scozia)
• 2 anni (2009 – 2010)
• Caratteri rilevati:fenologia, produzione e sue
componenti
Genomica comparativa per la ricerca di geni
candidati nelle regioni genomiche associate
Allele mining e ricerca di nuovi SNP nelle
sequenze geniche identificate
Mappatura per associazione di caratteri agronomici in orzo
1H
2H
3H
4H
5H
6H
7H
Orzi invernali Produzione 2009
Orzi invernali Produzione 2010
Orzi primaverili Data di spigatura 2009
Orzi primaverili Data di spigatura 2010
Orzi primaverili Allettamento 2009
Orzi primaverili Allettamento 2010
Mappatura per associazione di caratteri agronomici in frumento duro
Mappatura per associazione di caratteri agronomici in frumento duro
Colonizzazione radicale di Micorrize (Glomus mossae)
University of Minnesota
Sviluppo di sistemi genetici per la mappatura per associazione
Produzione
Stress abiotici
Obiettivi del
miglioramento
genetico
Qualità della
granella
Patogeni
Qualità della
paglia
Mappatura per associazione di caratteri legati alla qualità
della paglia in orzo
Potenziale di saccarificazione delle paglie
Valutazione del glucosio rilasciato in seguito a trattamento enzimatico
ricerca geni candidati in corso
Mappatura per associazione di caratteri legati alla qualità
della paglia in frumento duro
Cellulose
Hemicelluloses
Sviluppo di sistemi genetici per la mappatura per associazione
Produzione
Stress abiotici
Obiettivi del
miglioramento
genetico
Qualità della
granella
Patogeni
Qualità della
paglia
Mappatura per associazione di caratteri per la qualità in frumento
duro
Peso mille semi
Contenuto proteico della cariosside
Reif
2011
Blanco
2012
Maccaferri
Maccaferri
Peleg
2011
Uauy
2006
2011
Blanco
2012
2011
Peleg
2011
Maccaferr
i 2011
Blanco
2012
Maccaferri
2011
Peleg
2011
Maccaferr
i 2011
Maccaferri
2011
Maccaferri
2011
Reif
2011
Maccaferr
i 2011
Maccaferr
i 2011
Reif
2011
Maccaferr
i 2011
Blanco
2012
Tsilo
2010
Maccaferr
i 2011
Peke
g201
1
Blanco
2012
Maccaferr
i 2011
Identificazione di geni candidati per componenti quantitative e
qualitative della granella
Sviluppo di marcatori genici ed analisi di
associazione con le componenti qualitative
della granella
Contenuto proteico
Glutamina sintetasi
Imbrunimento di
semola e impasti
Attività
enzimatica delle
polifenolossidasi
Identificazione di geni candidati per componenti quantitative e
qualitative della granella
Polifenolossidasi (PPO)
PPO
composti
fenolici
Pigmenti
bruni
Analisi della variabilità fenotipica dell’attività PPO nella collezione
frumenti tetraploidi (228 accessioni) valutata per 3 anni a Valenzano (BA).
Taranto et al. (2012) Journal of Cereal Science, 55: 405-414
Identificazione di geni candidati per componenti quantitative e
qualitative della granella
Polifenolossidasi
(PPO)
2B
2A
Ppo-A1
Ppo-B1
Mappatura genetica dei
geni Ppo-A1 e Ppo-B1
nella
popolazione
segregante
derivante
dall’incrocio tra le cvs
Ciccio e Svevo.
Identificazione di geni candidati per componenti quantitative e
qualitative della granella
Polifenolossidasi
(PPO)
PPO18
MG18
Associazione del gene Ppo-A1 con l’attività della polifenolossidasi nella
collezione frumento (228 genotipi) valutata per tre anni a Valenzano (BA).
Lettere differenti indicano differenze significative P ≤ 0.05
Taranto et al. (2012) Journal of Cereal Science, 55: 405-414
Mangini et al. (2013) Molecular Breeding, submitted
Identificazione di geni candidati per componenti quantitative e
qualitative della granella
Glutammina sintetasi (GS2)
GS:
•coinvolta nel metabolismo dell’azoto;
•responsabile del primo step
dell’assimilazione dell’ammoniaca nelle
piante;
•Sequenza genomica isolata in Triticum
turgidum var. durum
GS-46F
1
2
3
4
237
39
102
5
6
7
87
129 75
6
7
87
129 51
8
9 10
11
12 13
GS2-A2
48 105
54 36
159 6012
GS-46R
GS-46F
1
2
3
4
237
39
102
5
8
9 10
11
12 13
GS2-B2
48 105
GS-46R
Gadaleta et al. (2011) Functional and Integrative Genomics, 11:665-670
54 36
159 60 132
Identificazione di geni candidati per componenti quantitative e
qualitative della granella
2A
2B
Chromosome 2B
GS2-B2
B2
LOD
Associazione del gene GS2-A2 con il contenuto proteico nella
collezione frumento (225 genotipi) valutata per tre anni in tre diversi
ambienti.
FdGogat
GS2-B2
GS2-A2
Nulli-2B_Tetra-2A
Nulli-2A_Tetra-2B
Svevo
Ciccio
Marker
Nulli-2B_Tetra-2A
β-carotene
BCH
Nulli-2A_Tetra-2B
α-carotene
BCH
LCY-β
Marker
LCY-ε
Svevo
lycopene
Ciccio
β-CAROTENE IDROSSILASI (BCH)
Chinese Spring
Identificazione di geni candidati per componenti quantitative e
qualitative della granella
zeionxanthin β-cryptoxanthin
CYP
luteina
BCH
zeaxanthin
Mappatura fisica del gene BCH ottenuta
mediante linee nullitrasomiche.
2A
2B
Predizione della struttura del gene BCH sul cromosomi omeologhi del gruppo 2
Individuazione di geni e marcatori utili in specie
cerealicole mediante mappatura per associazione
Gene
Marcatore
Cromosoma
Carattere
Glutammina sintetasi (GS2-A2)
GS2-A2
2B
contenuto proteico
Glutammina sintetasi (GS2-B2)
GS-46
2A
contenuto proteico
Polifenolossidasi (PPO-A1)
MG18
2A
Attività polifenolossidasica
Polifenolossidasi (PPO-A1)
PPO18
2A
Attività polifenolossidasica
Individuazione di geni e marcatori utili in specie
cerealicole mediante mappatura per associazione
Carattere
N° di marcatori
Regioni cromosomiche
Range R2 (%)
Altezza
25
1A, 1B, 2B, 3A, 4A, 4B, 5A,
5B, 7B
2–9
Fioritura
30
1A, 1B, 2A, 2B, 3A, 3B, 4A,
5B, 6A, 6B, 7A
2–8
Contenuto Proteico
39
Tutti i cromosomi
2 – 10
Peso 1000 semi
42
Tutti i cromosomi
2–8
Ruggine nera (Ug99)
37
Tutti i cromosomi
2–6
Cellulosa
18
1B, 2B, 4A, 4B, 5B, 6A, 6B,
7A, 7B
2–7
Emicellulosa
18
1A, 1B, 3A, 4A, 5A, 5B, 6B,
7A, 7B
2–5
Individuazione di geni e marcatori utili in specie
cerealicole mediante mappatura per associazione
Carattere
Marcatore associato
R2
Cromosoma
Spessore radici
S3_10027580
0,14
3
Spessore radici
S4_31165851
0,21
4
Spessore radici
S12_16588898
0,18
12
Massa radicale in profondità
S2_29253236
0,22
2
Massa radicale in profondità
S6_244051130
0,21
6
Massa radicale in profondità
S10_15750216
0,19
10
Capacità penetrazione radici
S2_23218049
0,25
2
Capacità penetrazione radici
S8_17535809
0,28
8
Capacità penetrazione radici
S9_7742208
0,26
9
Capacità penetrazione radici
S10_12999615
0,28
10
Capacità penetrazione radici
S10_16315099
0,21
10
Fioritura precoce in aerobica
S11_8461975
0.07
11
Maturazione precoce in aerobica
S8_17909608
0.08
8
Resistenza durevole al brusone
RM302
0,27
1
Resistenza durevole al brusone
RM5473
0,32
4
Individuazione di geni e marcatori utili in specie
cerealicole mediante mappatura per associazione
Impiego di geni e marcatori utili per il miglioramento
genetico di specie cerealicole
UC1113
locus Gpc-B1
Contenuto proteico, Fe, Zn,
ruggine gialla
5BIL-42
PR22D89
gene Pm36
Oidio
CRESO
gene Lr14c
Ruggine bruna
Xdupw167
Ruggine nera
Impiego di geni e marcatori utili per il miglioramento
genetico di specie cerealicole
Marker assisted selection (MAS)
4-6
6 ANNI
10-12
12 ANNI
Selezione tradizionale
R R S S R S S R
R S S R R
Quali prospettive per il miglioramento genetico di
specie cerealicole?
6
-1
Resa (t ha )
ESPLORA….
5
4
3
2
1900
1920
1940
1960
1980
2000
2020
Se questo processo innovativo si arrestasse, potremmo assistere al rapido
declino delle principali filiere agro-industriali italiane
Grazie per l’attenzione