Indice - REDA Edizion

IV
Indice
III
XIV
Presentazione Introduzione
Parte
Capitolo
1Biologia e biotecnologie
applicate alle
trasformazioni
1 I fondamenti della biologia
1
La cellula
Cellula procariote
Cellula eucariote
2
Il DNA e il codice genetico
La sintesi delle proteine L’RNA
Trascrizione Traduzione
Geni, cromosomi e genoma
12
La continuità dei viventi
La replicazione del DNA
Divisione cellulare e riproduzione
5
5
6
7
8
10
10
10
11
Approfondimento 1 Il Progetto genoma umano
4
4
Riepilogo attivo
3
2
Riproduzione asessuata
Il ciclo cellulare
Riproduzione sessuata
La trasmissione dei caratteri:
le leggi di Mendel
Prima legge di Mendel
13
14
14
14
15
16
17
o legge della dominanza
17
o legge della segregazione
18
o legge della indipendenza
18
Seconda legge di Mendel
Terza legge di Mendel
Approfondimento 2 Mappe geniche e marcatori
12
molecolari
20
enetica, genomica e sequenziamento
G
dei geni della vite
21
V
6
Le mutazioni
Mutazioni a livello genico (puntiformi)
Le mutazioni spontanee
Mutazioni cromosomiche
Mutazioni genomiche
Verifiche interattive
Capitolo
23
24
24
27
Verifiche
22
22
2 Biotecnologie tradizionali
27
28
Riepilogo attivo
1
Introduzione
29
2
Il miglioramento genetico
Selezione
Inincrocio
Ibridazione
29
30
31
32
32
33
34
3
Ibridazione interspecifica
Il miglioramento genetico e la rivoluzione verde Le risorse genetiche
Il genetista Nazareno Strampelli
35
Conservazione delle risorse genetiche
Metodi per la conservazione
del germoplasma vegetale 36
Le fermentazioni
I lieviti Metabolismo e riproduzione
Riconoscimento dei lieviti
Gli enzimi
Approfondimento 1 Fattori che modificano l’attività
36
37
38
38
40
40
Fermentazione acetica
Fermentazione citrica 41
42
42
42
44
44
45
45
45
45
46
46
46
Approfondimento 2 In laboratorio
47
enzimatica
Caratteristiche di un enzima
Specificità di un enzima
Fermentazioni propriamente dette
Fermentazione alcolica
Fermentazione lattica
Fermentazione aceton-butilica
Fermentazione propionica
Fermentazione butirrica
Fermentazioni tipiche dell’industria enologica
Fermentazioni improprie
Verifiche
Verifiche interattive
48
48
VI
Capitolo
3 Biotecnologie innovative
Riepilogo attivo
1
2
3
50
Introduzione
Le biotecnologie cellulari
51
Le colture cellulari vegetali
Tecnica delle colture vegetali in vitro
Classificazione delle colture in vitro
52
53
54
55
56
56
Coltura di protoplasti
Colture di piante intatte (semi di orchidee) Coltura di embrioni Coltura di germogli, apici vegetativi,
espianti, calli, singole cellule
Coltura di meristemi
Colture di antere e di ovari Il seme artificiale
52
57
57
58
58
4
Le colture cellulari animali
Le cellule staminali 59
60
5
Gli ibridomi
Gli anticorpi monoclonali 61
63
6
La clonazione animale
65
7
Le biotecnologie molecolari
La reazione a catena della polimerasi
66
67
69
8
Il gene portatore dell’aromaticità dell’uva
L’ingegneria genetica 9
DNA e RNA antisenso
72
69
Approfondimento 1 Il citomegalovirus (CMV)
72
10 La
73
terapia genica
Capitolo
74
Verifiche
Verifiche interattive
4 Biotecnologie: sviluppi
e applicazioni
74
76
Riepilogo attivo
1
Gli organismi transgenici
77
2
Animali transgenici
78
VII
I vettori di materiale genetico
3
Piante transgeniche
Potenzialità delle piante
5
79
transgeniche
Produzioni più abbondanti
81
81
Microbiologia del terreno
82
Prodotti di maggior valore
Maggior disponibilità di aree
coltivabili
Minori rischi per l’ambiente
e/o minori costi
4
79
83
85
85
Microrganismi naturali, transgenici
e loro applicazioni
Industria farmaceutica
86
Antibiotici Insulina
Ormone della crescita
(GH o somatotropo) Attivatore tissutale
del plasminogeno
Vaccini
89
88
88
88
89
89
Industria agroalimentare
Coadiuvanti tecnologici
e additivi
Biosensori
90
Biotecnologie e problematiche ambientali
Microrganismi e biodegradazione
94
Plasmidi catabolici
90
92
94
95
Il plasmide di Pseudomonas
95
Abbattimento del carico inquinante
95
95
Potabilizzazione delle acque
96
Il trattamento dei rifiuti
Biorisanamento del suolo
(bioremediation)
Attinomiceti: genere Gorgonia
Produzione di biocombustibili
Produzione di biofertilizzanti
Produzione di bioagrofarmaci
97
97
Batteri e petrolio
97
98
99
99
99
100
100
100
100
100
Verifiche
102
Insetticidi batterici
Insetticidi virali Fungicidi
Microrganismi per tutti gli usi
Batteri come detersivi
Batteri minatori
Verifiche interattive
102
VIII
Parte
Capitolo
2Biologia e biotecnologie
applicate alle
produzioni
5 Le piante e le avversità
La pianta e gli organismi dannosi
Struttura e habitat della pianta
2
La fillosfera
La rizosfera
La sfera legnosa
Il mondo vegetale: la botanica
I contatti con l’ambiente esterno
Rapporti con gli organismi dannosi
Le difese della pianta
Meccanismi di autodifesa
Resistenza
3
Difese passive
Difese attive
Riconoscimento del patogeno
Resistenza indotta
La malattia e i danni
Le condizioni necessarie
Sintomatologia
Approfondimento 1 Termini ricorrenti
in sintomatologia fitopatologica
Metodica diagnostica Patogenesi
Contatto e colonizzazione
Penetrazione
Incubazione, manifestazione
dei sintomi, evasione del patogeno
Epidemiologia
4
106
Riepilogo attivo
1
104
Tipi di malattia
Stress abiotici
Danni
Stress idrici
Stress termici Squilibri nutrizionali
Ferite, infezioni e compartimentazione
Verifiche
Verifiche interattive
107
107
107
107
107
107
108
108
110
110
110
110
111
112
112
113
113
115
118
120
121
122
122
124
124
126
126
126
128
128
130
132
134
134
IX
Capitolo
6 Virus e fitovirus
Riepilogo attivo
1
I virus: aspetti generali
Caratteri specifici I prioni
Morfologia e struttura
Biologia
Classificazione
140
141
Antigeni e anticorpi
142
Approfondimento 1 Il virus HIV
I virus vegetali o fitovirus
Patogenesi e danni Risposte della pianta all’infezione
Trasmissione e diffusione dell’infezione
Modalità di trasmissione per vettore
Metodi diagnostici
Piante indicatrici
Detection methods : rilevamento
e identificazione
Moderne tecniche diagnostiche
Strategie di lotta
Terapia e produzione di materiale sano
Prevenzione e lotta ai vettori
Inquadramento tassonomico dei virus
Verifiche interattive
Capitolo
7 I batteri
I batteri: aspetti generali
Caratteristiche
Approfondimento 1 La colorazione di Gram
2
143
143
144
145
146
148
148
148
149
152
152
153
153
154
155
Riepilogo attivo
1
142
154
Verifiche
137
137
137
138
139
140
Morfologia architettonica
Riproduzione
2
136
Le spore batteriche
Riproduzione
Metabolismo batterico
Classificazione
Potere patogeno e virulenza
I batteri fitopatogeni
Sintomatologia
Processo infettivo
156
156
157
158
158
158
159
159
160
160
163
X
Batteriosi vascolari
Batteriosi parenchimatiche
Batteri atipici: i micoplasmi
Approfondimento 2 Osservazione, isolamento
ed identificazione dei batteri
Approfondimento 3 Test preliminari di orientamento
per procedere all’identificazione
Inquadramento tassonomico dei batteri
Verifiche interattive
Capitolo
8 I funghi
I funghi: caratteri generali
Introduzione
I funghi nella nostra vita quotidiana
2
3
Morfologia Biologia
Pseudofunghi
Protozoa Chromista
181
181
182
182
185
Inquadramento tassonomico dei gruppi fitopatogeni
La lotta alle malattie fungine
Patogeni monociclici e policiclici
Strategie anti-resistenza ai fungicidi
Capitolo
1
187
187
187
188
188
189
190
Verifiche
172
172
173
173
174
179
Funghi veri
Chytridiomycota
Zygomycota
Ascomycota
Basidiomycota
171
178
Funghi Mitosporici
170
178
Approfondimento 1 Le varianti del ciclo
4
168
169
Riepilogo attivo
1
167
170
Verifiche
165
166
166
Verifiche interattive
9 Insetti e altri animali
di interesse agrario
190
192
Riepilogo attivo
Artropodi: gli insetti
Introduzione
193
193
XI
Generalità e caratteristiche degli insetti
Morfologia esterna
Capo
Occhi composti e ocelli Antenne
Torace
Addome
Approfondimento 1 Produzione e percezione di suoni
Anatomia interna
Sistema nervoso
Sistema muscolare
Sistema digerente
Sistema circolatorio
Sistema respiratorio
Sistema escretore
Sistema secretore e secrezione interna
Sistema escretore e secrezione esterna
Sistema riproduttore
Tipologie riproduttive
Ovideposizione
2
3
Ovature e nidi pedotrofici
Sviluppo embrionale e postembrionale
Sviluppo embrionale Sviluppo postembrionale
193
195
195
199
199
199
200
201
201
201
202
202
202
202
203
203
204
205
206
206
206
206
206
207
Insetti: tanti modi per diventare adulti
Insetti, ambiente e agricoltura
Ecologia
Ruolo degli insetti in agricoltura
208
Sistematica degli insetti Generalità
Apterygota
210
Collemboli (Collembola)
Tisanuri (Thysanura)
Esopterygota
Efemerotteri (Ephemeroptera)
Odonati (Odonata)
Blattoidei (Blattodea)
Mantoidei (Mantodea)
Isotteri (Isoptera = ali uguali)
Plecotteri (Plecoptera)
Dermatteri (Dermaptera)
Ortotteri (Orthoptera = ali ortogonali al corpo in volo)
Psocotteri (Corrodentia)
Mallofagi (Mallophaga = mangia lana)
Sifunculati (Anoplura)
Tisanotteri (Thysanoptera = ali frangiate)
Rincoti o Emitteri (Rhynchota = con rostro)
209
209
209
210
210
210
210
211
211
211
211
211
211
212
212
212
213
213
213
213
213
Comportamenti degli insetti
La società nel mondo animale: l’ape
La varroasi delle api: un esempio
di globalizzazione biologica
215
XII
Approfondimento 2 Cicli biologici negli Afidi
Endopterygota
Neurotteri (Neuroptera = ali con nervature)
Tricotteri (Tricoptera = ali ricoperte di peli)
Lepidotteri (Lepidoptera = ali coperte da squame)
Ditteri (Diptera = due ali)
Sifonatteri (Siphonaptera)
Coleotteri (Coleoptera = ali ad astuccio)
Imenotteri (Hymenoptera = ali membranose)
4
Artropodi: Aracnidi e Crostacei
Aracnidi
Ordine Araneae: Ragni
Ordine Opiliones: Opilioni
Ordine Acarina: Acari
Classi Chilopoda (centopiedi)
e Diplopoda (millepiedi)
Crostacei
Approfondimento 3 Acari di interesse agrario
5
Molluschi
Generalità
215
217
217
217
217
218
218
218
219
220
220
220
221
221
221
222
222
Approfondimento 4 Molluschi fitofagi
223
223
224
Nematodi
Generalità
Nematodi di interesse agrario 224
224
225
Classificazione dei Nematodi fitoparassiti
Uccelli e Mammiferi
Uccelli
Mammiferi 226
6
7
230
Verifiche
Verifiche interattive
227
227
228
10Le strategie di lotta
230
Capitolo
1
2
ai parassiti
231
Riepilogo attivo
La fitoiatria
Introduzione Valutazione delle malattie: aspetti teorici
232
I mezzi di lotta
Generalità
Mezzi di lotta legislativi
Lotta obbligatoria e flavescenza dorata
in Piemonte
236
232
232
236
236
236
XIII
Mezzi di lotta agronomici
Mezzi di lotta fisici e meccanici
Mezzi di lotta genetici
Mezzi di lotta chimici
Mezzi di lotta biologici e biotecnologici
Norme generali e impiego
dei prodotti fitosanitari
Caratteristiche degli agrofarmaci
Tossicità di un p.a. o di una sostanza
Norme pratiche per l’uso degli agrofarmaci
Efficacia dell’agrofarmaco 236
237
238
239
240
242
243
244
244
245
Agrofarmaci: aspetti tecnici
Agrofarmaci: impatto ambientale e rischi
Repertorio agrofarmaci
Endoterapia
Piante infestanti e diserbo
Approfondimento 1 Agrofarmaci:
cosa è necessario sapere
Approfondimento 2 Cooperazione internazionale
3
247
248
La scuola italiana di entomologia
248
Approfondimento 3 La coscienza ambientalista
Lotta guidata e lotta integrata
Lotta biologica
Agroecosistema
5
246
La difesa dai parassiti
Evoluzione delle strategie di lotta
4
245
Strategie di lotta: i modelli di simulazione
Principi, metodi e limiti della lotta biologica
Parassitoidi e predatori
Agenti di lotta microbiologica
Lotta biologica contro le malattie fungine
Produzioni integrate e biologiche
Tecniche di produzione integrata
Tecniche di agricoltura biologica
Approfondimento 4 I Disciplinari
di Produzione Integrata (DPI)
249
249
250
250
250
253
254
258
260
261
262
262
262
Modelli previsionali
248
Ferormoni e trappole
Verifiche
Verifiche interattive
Indice analitico
263
265
265
267
XIV
Introduzione
La Biologia è la scienza che si occupa della vita, in tutte le sue manifestazioni, e degli
organismi viventi nella loro grande complessità e diversità. In quanto tale essa ha origini
antichissime, fin da quando l’uomo ha cominciato a distinguere e classificare i viventi cercando di comprendere le leggi che regolano il loro ciclo vitale. Nel tempo, si sono poi definite
le basi di concetti fondamentali quali l’evoluzione, l’uniformità e la continuità dei viventi, la
riproduzione, la biodiversità, ecc. Negli ultimi sessant’anni le scoperte scientifiche si sono
susseguite a ritmo vertiginoso e il limite della conoscenza umana è avanzato sempre più
verso l’infinitamente piccolo, sino a decifrare il codice stesso della vita e a indagarne le leggi
fondamentali.
Oggi la biologia abbraccia un’area culturale assai vasta, che va dalla chimica delle proteine e del DNA fino al monitoraggio degli ecosistemi e allo studio approfondito della salute
dell’uomo. Tutte le diverse discipline biologiche si differenziano non solo per l’oggetto, ma
anche per l’indirizzo e i metodi di studio, e si possono raggruppare in quattro grandi aree:
la biologia generale; la biologia speciale o sistematica; la biologia molecolare; la biologia
applicata.
• Le discipline orientate alla Biologia generale riguardano l’organismo: questo può
essere indagato in quanto tale (attraverso la citologia, l’istologia, l’embriologia, l’anatomia),
o in relazione ai rapporti che esso instaura con l’ambiente e con altri organismi (attraverso l’ecologia), oppure può essere studiato in relazione alla sua discendenza (attraverso la
genetica).
• La Biologia speciale o sistematica, invece, considera separatamente gli organismi viventi dividendoli in animali (zoologia) e vegetali (botanica), a loro volta indagati e
suddivisi in tanti settori quanti sono i loro gruppi (batteriologia, micologia, elmintologia,
entomologia, ittiologia, ornitologia, ecc.). Questa branca comprende anche la paleontologia e l’antropologia.
• La moderna Biologia molecolare è lo studio che, avvalendosi di sofisticati metodi
e strumenti d’indagine, si interessa delle strutture microelementari della materia vivente,
quindi delle strutture molecolari che la costituiscono. Oggetti particolari di questi studi
sono la composizione e la mappatura del materiale genetico, cioè delle catene di DNA e
di RNA, in condizioni normali o patologiche. L’analisi delle sequenze aminoacidiche che
costituiscono gli enzimi ha permesso la costruzione, in laboratorio, di enzimi sintetici e una
migliore comprensione dei loro meccanismi d’azione.
• Dallo studio dei fenomeni biologici, sia a livello generale sia molecolare, discende
la Biologia applicata che si interessa degli esseri viventi in rapporto ad altri campi
scientifici (sanitario, agroalimentare, agroambientale, industriale, ecc). Infatti, la biologia
applicata si avvale delle conoscenze di base delle scienze biologiche e delle metodologie
e tecnologie relative ai campi di indagine specifici, per orientarsi alle applicazioni pratiche
della vita quotidiana. Tali applicazioni prendono il nome di Biotecnologie e riguardano
tutte le tecnologie che utilizzano organismi viventi (batteri, lieviti, cellule vegetali o animali, di organismi semplici o complessi) o loro parti o componenti sub-cellulari purificati
(organuli ed enzimi) al fine di orientarli allo sviluppo di prodotti utili, oppure anche per
migliorare le caratteristiche intrinseche di piante e animali, o ancora per sviluppare microrganismi utili per usi specifici.
Le biotecnologie si possono suddividere in due settori: Biotecnologie tradizionali e
Biotecnologie innovative. Il miglioramento genetico di piante e animali, come anche la
fermentazione e la lievitazione che fanno uso di lieviti o batteri per la produzione di vino,
XV
birra, pane e formaggi, sono esempi di biotecnologie tradizionali che vengono dal passato.
Queste discipline poggiano sulle basi della biologia generale, della biochimica e della genetica.
Le biotecnologie innovative si basano, invece, su tutta quella serie di progressi della genetica molecolare intervenuti dal 1950 al 1980; oggi, che siamo agli inizi del terzo
millennio, possiamo ritenere che le biotecnologie sanciscano un passaggio di importanza vitale per il progresso e l’evoluzione socioeconomica e culturale della nostra società.
Moltissimi prodotti per la salute umana, l’agricoltura e l’ambiente derivano da nuovi processi biotecnologici (prodotti farmaceutici, nuove tecniche per le colture agricole, nuove
tecnologie di trattamento e smaltimento dei rifiuti, nuove metodiche di diagnostica medica e ambientale.
Anche il settore agroambientale è attualmente sottoposto a profondi cambiamenti: in particolare la biologia applicata alle produzioni agrarie, con lo studio degli organismi dannosi alle colture, dei loro rapporti con le piante e gli interventi di difesa effettuati
dall’uomo, poggia le basi sulla biologia del riconoscimento dei vari taxa di organismi nocivi e sull’ecologia per quanto riguarda i loro rapporti con le colture agrarie e per lo studio
degli impatti ambientali.
Riflettiamo, ad esempio, sul fatto che una grande quantità di prodotti destinati all’alimentazione umana viene distrutta da altri esseri viventi (virus, batteri, funghi, insetti e artropodi, uccelli e mammiferi) che competono con l’uomo per la ricerca di cibo.
Nel tentativo di difendere le produzioni agricole dalle avversità animali e vegetali l’uomo,
in passato, ha distribuito nell’ambiente sostanze chimiche (agrofarmaci), il cui impiego è
cresciuto a dismisura a partire dalla seconda metà del secolo scorso. Inizialmente l’uso di
questi prodotti ha contribuito allo sviluppo economico dei Paesi industrializzati permettendo, a fronte di una riduzione della manodopera, il raggiungimento di elevate rese produttive agricole e il conseguente soddisfacimento della crescente domanda alimentare.
Ma il massiccio utilizzo di prodotti fitosanitari ha esercitato una notevole influenza sulla
qualità dell’ambiente, con la presenza di residui di principi attivi nelle derrate alimentari, nelle acque e nei suoli, che hanno ormai raggiunto gli apici delle catene alimentari.
Al degrado ecologico si sono aggiunti poi altri inconvenienti come l’insorgenza di resistenze indotte ai fitofarmaci, da parte degli organismi dannosi, e la proliferazione di nuovi
parassiti causata dall’eliminazione dei loro fattori naturali di contenimento (organismi antagonisti, predatori, parassitoidi).
Quanto sopra deve rappresentare il segnale per un cambio di rotta nello sviluppo sostenibile in generale e agricolo in particolare: una sempre più crescente consapevolezza impone la necessità di applicare sistemi di difesa fitosanitaria non più di tipo esclusivamente
chimico, e di programmare un’agricoltura che contribuisca direttamente all’integrità degli
ecosistemi e alla tutela della salute umana. È necessario che questo bagaglio culturale non
rimanga prerogativa solo di pochi addetti ai lavori, che stentano a farsi comprendere dai
più. Il nostro futuro è legato a scelte e conoscenze che devono essere patrimonio di tutti,
nella piena consapevolezza che il nostro pianeta Terra va preservato nella sua migliore integrità. Lo scollamento tra mondo scientifico e società, l’utilizzo improprio delle moderne
conoscenze generano in molte persone dubbi e diffidenze nei confronti di applicazioni e
utilizzi delle biotecnologie. In molti casi, e proprio nei riguardi del settore agroalimentare,
l’opinione pubblica si è divisa tra convinti fautori e accaniti oppositori degli sviluppi biotecnologici, e su molte questioni di natura etica il dibattito è quanto mai aperto. Tuttavia
solo il progredire della conoscenza, per tutti e in tutti gli ambiti, può metterci al riparo da
eventuali e futuri rischi.
Struttura del Corso
I contenuti di questo nuovo Corso di Biologia Applicata e Biotecnologie agrarie sono strutturati in
due Parti che sviluppano nel loro insieme dieci Capitoli, di cui quattro nella prima e i restanti sei
nella seconda.
2
In apertura di Parte vengono
richiamati in traccia sia i prerequisiti
necessari, quali conoscenze di base
per affrontare i contenuti, sia gli
obiettivi specifici finalizzabili lungo il
percorso.
parte
1
Introduzione ai contenuti
I prerequisiti necessari per lo
sviluppo e la comprensione dei
contenuti sono richiamati dalle
seguenti tracce.
Chimica: elementi naturali di acqua,
terra e aria, sali minerali
Biologia e
biotecnologie
applicate alle
trasformazioni
Biologia generale: cellula vegetale
e animale, livelli di organizzazione
dei viventi
Biologia generale: concetto di
biodiversità, microrganismi,
organismi superiori
Ecologia: ecosistemi, comunità,
popolazioni, organismi e habitat
Biochimica: carboidrati, lipidi, protidi,
acidi nucleici, vitamine
Inquadramento generale e obiettivi
Perseguire e consolidare gli obiettivi voluti con lo
sviluppo e la sintesi dei saperi proposti.
Ogni tecnologia che fa uso
di organismi viventi (lieviti,
batteri e comunque individui
più o meno complessi o loro
componenti o sostanze) al
fine di ottenere un qualsiasi
beneficio migliorativo,
è definita biotecnologia.
Fra le tante
applicazioni
delle tecniche
biotecnologiche
(colture in vitro),
quella della
conservazione
del germoplasma
vegetale è
sicuramente di
grande utilità per le
generazioni future.
Biochimica: processi biologici,
processi fisiologici elementari
Biochimica: metabolismo cellulare,
energia metabolica, respirazione,
fotosintesi
Parte 1
50
Tassonomia: regni, phylum, classi,
ordini, famiglie, generi, specie,
varietà
Biotecnologie
innovative
Biologia e biotecnologie applicate alle trasformazioni
Capitolo
3
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Introduzione
Le biotecnologie cellulari
Le colture cellulari vegetali
Tecnica delle colture vegetali in vitro
Classificazione delle colture in vitro
Coltura di protoplasti
Coltura di piante intatte
(semi di orchidee)
Coltura di embrioni
Coltura di germogli, apici vegetativi,
espianti, calli, singole cellule
Coltura di meristemi
Coltura di antere e di ovari
Il seme artificiale
1
I fondamenti della biologia
2
Biotecnologie tradizionali
3
Biotecnologie innovative
50
4
Biotecnologie sviluppi e
applicazioni
76
Le colture cellulari animali
Le cellule staminali
La clonazione animale
Le biotecnologie molecolari
La reazione a catena della
polimerasi
L’ingegneria genetica
DNA e RNA antisenso
La terapia genica
Abstract
In sintesi
Le moderne biotecnologie si basano sempre
più su studi e ricerche di biologia cellulare e
molecolare. Le applicazioni biotecnologiche sin
dentro la cellula consentono di sviluppare anche interi organismi partendo da una o poche
cellule base; consentono inoltre di produrre,
attraverso la fusione, nuove cellule con caratteristiche miste rispetto a quelle parentali e di
clonare organismi pluricellulari ottenendone altri perfettamente identici. Le applicazioni biotecnologiche alle biomolecole consistono nell’individuare materiale genetico con caratteristiche
utili, trasferirlo in cellule di altri organismi anche
molto diversi per conferirgli caratteristiche utili;
oppure si interviene direttamente per modificare
i geni che contengono le istruzioni che interessano per produrre specifiche proteine funzionali
o strutturali alle ricerche.
28
Il miglioramento genetico è
l’insieme di tecniche
che sfruttano le caratteristiche
utili di specie vegetali, coltivate,
o animali, allevate. Usato
in modo inconsapevole sin
dall’antichità procede oggi
con la ricerca biotecnologica.
Le biotecnologie innovative
derivano dai progressi della
genetica cellulare e molecolare:
colture cellulari, vegetali
e animali, e biologia molecolare
su proteine e acidi nucleici.
I diversi Capitoli che definiscono i vari
argomenti propongono in apertura la traccia
dei contenuti e una sintesi introduttiva,
nella doppia versione italiana e inglese,
dell’area di studio. La stessa sintesi
è accompagnata online da un Riepilogo
attivo, una forma di ripasso a domanda
e risposta sotto forma di percorso breve.
Gli ibridomi
Gli anticorpi monoclonali
Verifiche
Fruttificazione fungina di Botrytis
cinerea su grappolo d’uva.
Generalmente questo fungo può
danneggiare gravemente i grappoli in
fase di maturazione; nella sua forma
“larvata” favorisce la concentrazione
zuccherina conferendo aromi
particolari ai vini passiti.
4
Le biotecnologie tradizionali
riguardano tecnologie
produttive utilizzate
da migliaia di anni, come
le fermentazioni da
microrganismi per la
produzione di vino, pane,
formaggi, birra.
Le moderne biotecnologie
possono rappresentare
il progresso e l’evoluzione
socioeconomica. Questioni
etiche e morali sono sollevate
per i possibili rischi non
calcolati di queste tecniche.
Traccia dei contenuti
Traccia dei contenuti
1
Microscopio ottico con alloggiamento
piastra di Petri e camera per il
Live-Cell Imaging, dispositivo
che garantisce la sopravvivenza
delle cellule in coltura durante
l’acquisizione delle immagini.
Classificazione: nomenclatura binomia
Per comprendere appieno i
meccanismi biotecnologici
è necessario capire i concetti
fondamentali della biologia
generale e degli organismi
che ne sono interessati.
Chapter 3 - Innovative biotechnologies
Modern biotechnologies are increasingly
based on studies and research of cellular
and molecular biology. Biotechnological
applications, even within the cell itself,
enable to develop whole organisms
starting from one or few basic cells; to
produce, through fusion, new cells with
mixed features compared with the parent
ones; to clone multi cellular organisms in
order to obtain perfectly identical ones.
Biotechnology applications to biomolecules
consist in identifying genetic matter with
useful characteristics, transferring it into
cells of other, even very different organisms,
in order to provide them with these useful
characteristics. Otherwise the applications
consist in directly intervening to modify the
genes which contain interesting instructions
to produce specific proteins, functional or
structural to our research.
RIEPILOGO
ATTIVO
Virus e fitovirus
22 Cellule di lievito in
accrescimento grazie al
metabolismo aerobico.
23 Cellule di
Schizosaccaromices
pombe, che si riproduce
per scissione.
La trattazione
dei singoli argo­menti
procede favorita
da un linguaggio
chiaro, conciso,
esaustivo
e scientificamente
definito, inserito
in un conte­sto grafico
e iconografico ricco
e finalizzato, che aiuta
notevolmente la
com­prensione visiva
dei concetti portanti.
La diagnosi molecolare, anch’essa attualmente sviluppata in diverse varianti, sfrutta invece quelle tecniche di laboratorio che, partendo da
Capitolo
2
39 una
Biotecnologie tradizionali
infinitesima
quantità di acido nucleico (DNA,
RNA) dell’organismo da identificare, lo amplificano, ossia lo replicano artificialmente fino a ottenerIn condizioni ambientali favorevoli
ne una
ogni cellula dà luogo a due individui
ogniquantità che può essere rilevata con opportuni
e sistemi.
50 minuti circa, e quindi in meno
di accorgimenti
tre
ore una coltura di lievito duplica il suo
contenuto. La riproduzione sessuata può
avvenire per ascospore portate da aschi
nudi o per basidiospore cosicché anche
i lieviti si classificano in Asco- o Basidiomiceti. Sono, perciò, comunemente
detti lieviti sporigeni. Quando manca la
forma sessuata i lieviti vengono inseriti
nel gruppo dei Deuteromiceti e in questo
caso sono detti lieviti asporigeni.
Solo Ascomiceti e Deuteromiceti inducono processi fermentativi.
In base alla forma si possono avere lieviti rotondeggianti (Torulopsis), a forma di
limone (Apiculati: Kloeckera, Candida) o
di ellisse (Ellittici: Saccharomyces).
a
149
Capitolo 6
Moderne tecniche diagnostiche
I moderni laboratori di virologia vegetale sono
attrezzati per effettuare diagnosi con più di una
metodica.
Accanto al tradizionale saggio mediante inoculazione su piante indicatrici [ 19 ], si lavora con tecniche PRC basate sull’amplificazione del DNA [ 20 ].
d
Dei circa 60 generi e 500 specie di lieviti, i più
importanti sono riportati di seguito.
Genere Saccharomyces – Il lievito più importante per le fermentazioni di vino, birra e pane
è il Saccharomyces cerevisiae. In questa specie ne
confluiscono oggi ben 17 delle vecchie (ellypsoideus, bayanus, pastorianus, uvarum,…) ritenute
solo razze fisiologiche [ 24 ].
Genere Torulaspora (T. delbruckii e T. pretoriensis) – Comprende anche la vecchia specie
Saccharomyces rosei. È uno dei più importanti
lieviti della fermentazione vinaria [ 25 ].
25 Cellula
di lievito
del genere
Torulaspora.
24 Saccharomyces ellypsoideus al
microscopio elettronico.
b
e
CLASSIFICAZIONE DEI LIEVITI
CLASSE
Ascomiceti
FAMIGLIE
Spermophtoracee
Monosporella
Saccharomycetaceae
SOTTOFAMIGLIE
GENERE
SPECIE
Spermophtora
Saccharomycetoideae
Dekkera
Pichia
Hansenula
Saccharomyces
Torulaspora
Zygosaccharomyces
P. membranifaciens
S. cerevisiae
T. delbruckii
T. pretoriensis
Z. bailii
Z. bisporus
Z. lactis
Nadsonieae
Hanseniaspora
Saccharomycodes
S. ludwigii
Lypomycetoideae
Schizosaccharomycetoideae Schizosaccharomyces S. pombe
Basidiomiceti Sporobolomycetaceae
Deuteromiceti Criptococcaceae
Brettanomyces
Candida
Kloeckera
C. vini
K. apiculata
c
19 Dimostrazione di come
viene eseguito il saggio
su piante indicatrici.
Si impiegano specie di
facile coltivazione di cui
è nota la suscettibilità
ai virus che si vogliono
diagnosticare. (a) Veduta
delle serre dell’Istituto
di Virologia Vegetale del
CNR, con sede a Torino,
dove sono state scattate le
foto di questa appendice
in occasione delle visite
che l’IVV offre anche alle
scuole; (b) in un mortaio
si mette una foglia della
pianta virosata e poi
polvere di carbone per
proteggere il virus dalla
successiva operazione di
spappolamento del tessuto
vegetale; (c) si pesta fino a
ottenere una poltiglia; (d)
con un dito o una spatolina
si preleva la poltiglia e
la si sfrega su una foglia
della pianta indicatrice
cosparsa di polvere
abrasiva (carborundum);
(e) in caso di positività la
pianta manifesta, nel giro
di qualche giorno, una
reazione di ipersensibilità
con necrosi nei punti in
cui il virus è penetrato
attraverso le microferite
procurate con l’abrasivo.
43
Biotecnologie tradizionali
Biologia e biotecnologie applicate alle produzioni
12 Le piante mettono
in atto strategie
diversificate contro
gli insetti fitofagi.
gli altri salici producono
foglie meno nutrienti
afidi
30 Le
fermentazioni
(da substrati
diversi).
B. Produzione
di feromone
di allarme
pianta di patata
selvatica
P
gli afidi vengono respinti
aldolasi
P
P
partenza
Un particolare salice, Salix sitchensis, allorché
è attaccato da certe larve defogliatrici, è in grado
di modificare la qualità alimentare delle proprie foglie che diventano sgradite ai parassiti; addirittura questo fenomeno si trasmette agli alberi vicini
della stessa specie, probabilmente tramite una sostanza messaggera volatile capace di diffondersi
dall’albero assoggettato all’attacco iniziale [ 12 ].
Resistenza indotta
La pianta può sviluppare nei confronti di un
patogeno, con il quale sia entrata precedentemen-
R1
+ AT
glucosio
P
P
O
O
2 ATP
2 H2O
2 NADH
r1
2 acido piruvico
fruttosio
acido lattico
acido acetico
alcol etilico
glicerina
acido formico
acido propionico
CH3
C=O
Leuconostoc
Avr1
Riconoscimento del patogeno
Vi sono particolari strutture o molecole dei patogeni, dette elicitori, che vengono riconosciute dai
recettori della pianta: il riconoscimento si concretizza in forma di segnali biochimici che inducono la
trascrizione dei geni di difesa. L’elicitore può avere
caratteristiche di aspecificità e allora si avrà una
resistenza non ospite-specifica, che è la forma
di resistenza più diffusa; se invece il riconoscimento
è specifico, ossia la pianta (a livello di cultivar) riconosce quello specifico patogeno (a livello di varietà
o ceppo), si ha una resistenza ospite-specifica.
Un’interpretazione del riconoscimento del patogeno è offerta dalla teoria di H.H. Flor, cosiddetta
del “gene per un gene” (gene-for-gene relationship), sviluppata già a partire dagli anni ’40 del
Novecento e tuttora sostanzialmente valida: essa
spiega il fenomeno della resistenza attribuendo alla
pianta ospite un gene dominante di resistenza
e al patogeno un complementare gene dominante di avirulenza; diversamente, se non sono presenti questi geni, si instaura un rapporto di compatibilità con sviluppo della malattia [ 13 ].
Genotipo pianta ospite
Genotipo
patogeno
GLICOLISI
citoplasma
CARBOIDRATI
(disaccaridi e polisaccaridi)
afidi
F. ETEROLATTICA
Avr1
Proteina R1
Assenza di malattia
(Incompatibilità tra
pianta e patogeno)
Avr1
Proteina r1
Malattia
(Compatibilità tra
pianta e patogeno)
acido lattico
alcol etilico
CO2
COOH
+O2
lattobacilli
(NADH-NAD)
F. OMOLATTICA
avr1
Proteina r1
Malattia
(Compatibilità tra
pianta e patogeno)
F. MANNITICA
Clostridium
acetonbutylicum
CH3CHO + CO2
COOH
acido lattico
avr1
Proteina R1
Malattia
(Compatibilità tra
pianta e patogeno)
Saccharomyces
cerevisiae
Propionbacterium
Clostridium
tyrobutirricum
acido propionico
acido acetico
CO2
acido butirrico
acido acetico
CO2
Aspergillus niger
acido citrico
F. CITRICA
(NADH2-NAD)
CH3CH2OH
alcol etilico
F. ALCOLICA
+O2
Acetobacter
acetone
butanolo
alcol etilico
isopropanolo
CO2
F. ACETON-BUTILICA
CH3COOH
acido acetico
F. BUTIRRICA
F. PROPIONICA
13 Rappresentazione del modello di H.H. Flor “gene per
un gene”. Affinché vi sia resistenza all’infezione, occorre
che al gene 1 della resistenza dell’ospite (R = dominante;
r = recessivo) corrisponda il gene 1 dell’avirulenza del
virus (Avr = dominante; avr = recessivo); in tutte le altre
combinazioni si ha compatibilità con l’infezione.
+mannite
ciclo di Krebs
CH3
CHOH
avr1
Bacterium
mannitopotum
31 Fermentazioni da
substrato zuccherino.
F. ACETICA
te in contatto, una forma di resistenza detta resistenza indotta o acquisita, che si può manifestare in più forme, fra le quali è particolarmente
importante la resistenza sistemica acquisita
(SAR = Systemic Acquired Resistance).
La SAR è inducibile da un vasto novero di patogeni appartenenti a funghi, batteri, virus e simili,
e si manifesta quando è trascorso un certo perio-
Insetti e altri animali di interesse agrario
La diffusione della specie avviene grazie alle
mobili neanidi neonate e ai maschi alati; il
trasporto passivo, tramite vettori involontari, consente alle Cocciniglie di spostarsi su
amplissime distanze altrimenti insuperabili.
Molte di esse producono abbondante melata
e alcune grandi quantità di secrezioni sericee o cerose e lacche colorate ancora oggi
impiegate come sigillanti o coloranti.
4. Afidi (Aphidoidea): piccoli insetti polimorfi
che, se presentano ali membranose, le portano ripiegate a tetto sul corpo; l’addome
porta in prossimità dell’ultimo urite un processo detto codicola e dorsalmente tra 5° e
6° urite due sifoni secernenti cera in sferette.
Il ciclo vitale comprende generazioni anfigoniche e partenogenetiche. Le femmine
partenogenetiche possono essere ovipare o
vivipare.
negli Afidi
Biotecnologia innovative
Biotecnologia innovative
MAG
APR
ILE
fon
da
trig
en
ie
GIO
fondatrice
6. Cosa sono gli anticorpi monoclonali?
1. Per colture in vitro si intendono quell’insieme
di tecniche utili a mantenere in vita cellule
isolate o frammenti di tessuto. Qual è il vantaggio di queste tecniche?
1. L’anticorpo monoclonale è antagonista di un ben preciso antigene
V
F
7. La clonazione è la riproduzione asessuata di
organismi unicellulari perché si parla di clonazione anche per organismi pluricellulari?
2. La clonazione è la sostituzione di
geni malati con geni sani o l’introduzione di geni mancanti
V
F
8. Come avviene la clonazione delle piante?
3. Enzima che consente di riconoscere
il gene codificante la proteina desiderata è trascriptasi codificante
V
F
4. Gli oligonucleotidi antisenso sono
frammenti di DNA
V
F
5. Il DNA ingegnerizzato è detto
ricombinante
V
F
3. Cosa sono e a cosa servono le colture cellulari
animali?
9. Come avviene la clonazione degli animali?
10. Cosa è la PCR e come si applica?
4. Cosa sono le cellule staminali?
11. Cosa si intende per ingegneria genetica e
come si attua?
5. Quale sarà il futuro degli ibridomi?
12. Cosa sono DNA eRNA antisenso?
si è combinata con un’altra
con DNA modificato
che si è combinata due volte con un’altra
5. L’enzima che permette di copiare il gene desiderato è
la trascrittasi inversa
la ligasi
la polimerasi
2. Le forbici molecolari sono
enzimi che tagliano il DNA in sequenze
definite
enzimi che tagliano le molecole
forbici che tagliano le molecole
2. La funzione di vettore può essere svolta
da
plasmidi, batteriofagi, virus
plasmidi, batteriofagi, batteri
virus, batteriofagi, batteri
3. Si lavora sul
DNA cellulare
RNA
DNA duplex
4. Le specifiche sequenze di basi azotate che
vengono lette in entrambi i sensi senza cambiare il significato sono
palindromi
cDNA
geni
uova d'inverno
anfigonici
Capitolo 3
6. Le colture di protoplasti riguardano
le cellule animali
V
F
7. Le cellule staminali adulte sono
totipotenti
V
F
8. Gli ibridomi hanno le stesse caratteristiche dei genitori
V
F
9. La clonazione animale si ottiene in
due modi
V
F
10. La clonazione replica la struttura
genetica dell’animale da cui è stata
prelevata la cellula per riprodurre un
clone
V
F
Scegli la risposta esatta
1. Una cellula ricombinante è una cellula
E
Rispondi con Vero/Falso
(Rispondi alle seguenti domande).
2. Quale metodologia viene utilizzata per ottenere colture in vitro vegetali?
DICEMBR
Verifiche
VERIFICHE INTERATTIVE
Domande a risposta aperta
75
no altre femmine sono chiamate
virginopare. Alcune femmine alate possono migrare e diffondere
la specie su altre piante di melo.
In autunno, da femmine sessupare sono generati gli anfigonici (maschi e femmine) che, dopo
aver copulato, depositano l’uovo
durevole.
RZO
74
Verifiche
primavera dall’uovo durevole (o
uovo d’inverno) nasce una femmina fondatrice che partenogeneticamente genera altre femmine, le fondatrigenie, anch’esse
generatrici di prole femminile per
partenogenesi.
Nelle specie vivipare le femmine partenogenetiche che origina-
MA
• tabelle, che corredano
il testo, oppure
Approfondimenti,
che accompagnano lo scritto
o estendono la trattazione
sul Web Book disponibile
online.
Il caso più frequente e semplice è l’olociclo monoico, in cui
tutte le generazioni si sviluppano
su una stessa pianta ospite [ 51 ].
Caso tipico è quello dell’Afide
verde del melo (Aphis pomi): a
51 Rappresentazione schematica
di un olociclo monoico (da Cravedi
e Bolchi Serini, modificato).
Capitolo 3
Capitolo 9
[Comportamenti degli insetti]
[La società nel mondo animale: l’ape]
[La varroasi delle api: un esempio di
globalizzazione biologica]
A 2 Cicli biologici
• disegni e illustrazioni,
attivamente inseriti nel
contesto dell’ar­gomento e
compiutamente didascalizzati
per meglio definire i concetti
espressi e le conoscenze
trasversali;
215
Distinguiamo vari tipi di ciclo:
• olociclo, quando in un anno si succedono
numerose generazioni partenogenetiche e una anfigonica;
• paraciclo, quando si succedono per tempi
lunghissimi generazioni partenogenetiche con ricomparsa dopo anni degli anfigonici;
• anolociclo, quando si hanno solo generazioni partenogenetiche con la scomparsa delle generazioni anfigoniche.
Il ciclo vitale si dice:
• monoico, quando può svolgersi completamente su una sola specie di pianta ospite;
• eteroico, se si svolge su due (dioico) o più
specie di piante ospiti;
• omotopo, se si svolge su una sola parte della
pianta (radici, chioma);
• eterotopo, se si svolge su diverse parti della
pianta.
6. L’enzima che salda le estremità del gene è
trascrittasi inversa
la ligasi
la polimerasi
7. Le cellule ricombinanti contengono
DNA
mRNA
DNAduplex
8. Le sequenze di nucleotidi identiche nelle due
parti del gene sono
Cancella l’intruso
1. Gli enzimi nell’ingegneria genetica sono
cNA
ligasi
enzimi di restrizione
4. L’ibridoma ottenuto dall’unione di una cellula
tumorale e di un linfocita B conserva
la capacità di riprodursi della cellula tumorale
la capacità di produrre anticorpi
ha proprietà nuove
2. I vettori
sono struttura di DNA in grado di penetrare in
una cellula
servono a trasferire frammenti di DNA estraneo in una nuova cellula
sono cellule prive di DNA
3. Gli oligonucleotidi antisenso
catturano l’mRNA
formano zone di duplex artificiale o ibrido
formano il cDNA
palindromi
esoni
subdromi
9. Nella clonazione animale si sostituisce il nucleo di un ovulo non fecondato con il nucleo
di una cellula
embrionale
somatica
gamete
I materiali disponibili online sono se­gnalati
nel testo con il simbolino grafico Web Book
e il relativo titolo, essi propongono
in sequenza: Riepiloghi; Approfondi­
menti testuali, tabellari, iconografici;
Verifiche interattive sup­plementari
a quelle del testo.
5. Gli oligonucleotidi antisenso possono essere utilizzati per fabbricare nuovi farmaci con
azione
antitumorale
antibiotica
antivirale
Per fissare le conoscenze
acquisite, per ogni Capitolo
sono disponibili vari supporti
didattici:
• oltre al Riepilogo Attivo
online, già richiamato, che fissa
la corret­ta sequenza attorno alla
quale deve inquadrarsi
il complesso delle co­noscenze;
• una serie di Esercizi
di verifica dell’ap­prendimento
che rimandano, a loro
volta, anche alle Verifiche
interattive disponibili online.
]Le mutazioni spontanee [
I materiali multimediali sono an­che disponibili
sul sito: www. redaedizioni.it,
FORUM_Biologia Biotecnologie e Difesa colture.
Approfondimenti
A. Produzione
di sostanza
messaggera
volatile
pianta di salice
(Salix sitchensis)
BRE
112
Alla comprensione dei
concetti chiave contribu­
isce, in maniera concreta,
un funzionale appara­to
iconografico che favorisce
l’apprendimento visivo
utilizzando:
• schemi didattici, che
richiamano e riepilogano
concretamente i contenuti
tecnici da memorizzare;
OTTO
Parte 2
Capitolo 2