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Miglioramento genetico classico (Breeding).
AI GIORNI D’OGGI: In concomitanza con le crescenti necessità alimentari (causate
dalla crescita esponenziale della popolazione mondiale), insieme alla sempre
maggiore richiesta di cibi bilanciati a livello nutrizionale, vi è la necessità di
produrre cultivar o varietà più efficienti ai cambiamenti climatici.
- Il Miglioramento Genetico ʺderivaʺ dalla nascita dell’agricoltura:
circa 10000 anni fa
- Cambiamento culturale e sedentarizzazione delle popolazioni
nomadi
- Selezione e isolamento delle popolazioni vegetali migliori
- Diventa tale solo quando la selezione e la conservazione di semi
modello (varietà migliori) diventa cosciente
- Addomesticamento di Cereali, Leguminose, e Piante da Frutto
L’ ADDOMESTICAMENTO è una forma accelerata di evoluzione
- Ad oggi circa 230 cultivars sono state addomesticate
- L’addomesticazione del Mais ha avuto inizio intorno al 1500 a.C.
1Bushel = 24,5Kg
Nell’ultimo secolo i guadagni produttivi registrati e attribuibili al
Miglioramento genetico vanno da 10 a 50 Kg ha-1/anno!!
Plant breeding o miglioramento vegetale si basa sulla Genetica
Quantitativa
Scopo: produrre varietà/cultivar nuove e migliori sfruttando la variabilità
genetica dei 'caratteri' di interesse
La riscoperta delle leggi di Mendel (1865, fattori ereditari discreti, incroci
per dare nuove combinazioni) inizia a fornire una base scientifica al
miglioramento varietale
Negli anni 70 s'introducono importanti passi avanti con tecniche quali:
incroci con varietà resistenti e successivi re-incroci, produzione di semi
ibridi (maschio-sterilità, incompatibilità sessuale)
Dopo gli anni ‘70 si osserva un balzo in avanti nelle tecniche disponibili:
- Colture cellulari e crescita di cellule in vitro
- Possibilità di rigenerare nuovi individui e di fare selezione varietale
anche in vitro
- Variazione somaclonale come strumento di creazione di nuove
varietà insieme a mutagenesi classica (chimica o fisica).
- Fusione protoplasti (famoso l'ibrido pomodoro-patata), con molte
limitazioni
- Coltura di cellule aploidi (granuli pollinici)
- Limitata a geni presenti nel germoplasma (compatibilità sessuale)
Avvento biotecnologia e biologia molecolare consente di superare queste
barriere (piante transgeniche, 1990-)
Marcatori molecolari consentono di monitorare il breeding passo passo
velocizzando e perfezionando la tecnica
Consentono anche di velocizzare i programmi
(introgressione) riducendo i tempi anche del 50%
di
backcross
Miglioramento anche di caratteri quantitativi
Molto c'è ancora da fare e sapere soprattutto sulla biologia e la fisiologia
dei caratteri agronomici (resistanza patogeni e stress ambientali) e sulle
interazioni tra ambiente e genotipo.
Il Miglioramento Genetico può essere:
1) BIOTECNOLOGICO
(2°generazione)
Introduzione di un singolo
gene
2) CLASSICO
Creazione di
nuovi genomi attraverso
incroci
Step fondamentale nel Breeding Classico:
L’INCROCIO
Breeding classico
1- Produrre o evidenziare la variazione
2- Identificare e selezionare
3- Stabilizzare e moltiplicare
1- Produrre o evidenziare la variazione
• Utilizzo della variazione naturale già esistente all’interno della
specie
•Incrocio sessuale tra due parentali scelti opportunamente (intercross)
•Analisi della progenie alla ricerca di una nuova combinazione
(ricombinanti) creatasi tramite la meiosi tra gli alleli dei due parentali
Parent 1  Parent 2
F1
Hybridization
 (self pollinate)
F2
Recombination
Inizialmente si usava la variabilità intrinseca alla specie studiata,
variabilità ereditabile, quindi con base genetica
Per ampliare la fonte di variabilità è stato possibile accedere a:
• varietà/specie selvatiche e/o ancestrali presenti in natura,
• mutazioni naturali o causate da agenti mutageni,
• biologia molecolare e le biotecnologie.
2- Identificare e selezionare
Il primo problema è la scelta dei caratteri da seguire e selezionare.
Non si possono seguire tutti i caratteri di interesse allo stesso tempo
perché sono troppi! Inoltre alcuni possono essere di non facile o
veloce analisi. Spesso poi il materiale di studio è limitato, quindi
vanno fatte delle scelte.
Il secondo è legato all'efficienza con la quale la selezione può essere
svolta. Di solito si analizza il fenotipo come indice del genotipo, ma
il fenotipo è molto influenzato dall'ambiente e spesso varia in modo
continuo (rendendo difficile la selezione).
Es. la resa è influenzata da molti geni, ma anche dal clima, dal tipo
di terreno e dai fertilizzanti usati.
Caratteri importanti per il breeding sono legati alla resa (yield) in
termini di:
1.prodotto finale (la parte della piante che viene poi usata),
2.stabilità negli anni e nelle diverse condizioni ambientali,
3.qualità del prodotto
4.impatto ambientale (fertilizzanti, pesticidi, etc.)
5.adattabilità a climi e ambienti
Come si fa a selezionare??
Varietà Auto-fecondanti, Autocompatibili
Mass selection – bulking of selections
Pure line – test each selection separately
Varietà auto-incompatibili, Allogame
Mass selection
Current selection
Backcross
Marker-assisted selection
Selezione massale
- Selezione basata sulla
diversità genetica della
popolazione
- Non viene creata ulteriore
variabilità
- Selezione in base al fenotipo
- Miglioramento delle
performance base dell’intera
popolazione
Selezione per linea pura
Steps:
1)
2)
3)
4)
Coltivazione di una
popolazione variabile,
selezione e raccolta
individui interessanti
Distribuzione in file
degli organismi
selezionati
Valutazione delle
migliori file, raccolta
del semi e semina in
più località
Moltiplicazione
commerciale
Ottenimento di cultivar
omogenee geneticamente
Durata: 7-10 anni
Selezione ricorrente
• Creazione di variabilità
Cycle 0
– I parentali vengono incrociati in tutte le
combinazioni possibili.
• Valutazione delle piante create
random mate
• Nuovo gruppo di genitori selezionati
• Incrocio in tutte le combinazioni possibili,
Cycle 1
formazione di nuove generazioni
• Lento e ambiente dipendente
Lo sviluppo dei marcatori molecolari a DNA ha
irreversibilmente la genetica ed il miglioramento vegetale.
cambiato
Marker assisted selection (MAS).
MAS comporta l’uso di marcatori a DNA che sono strettamente associati
a loci target di interesse, agendo quindi come sostituti o come assistenti
allo screening fenotipico.
Seguendo quindi l’allele del marcatore molecolare le piante che
posseggono un gene o un QTL (quantitative trait locus) particolare
possono essere identificate sulla base del loro genotipo piuttosto che
del loro fenotipo.
Si ha quindi una maggiore efficienza ed efficacia nel breeding
Vantaggi:
1) Più semplice dello screening fenotipico
2) La selezione può essere fatta allo stadio di giovane plantula
3) Possibilità di seguire più caratteri contemporaneamente
Esempio di selezione MAS
Scopo: ottenere un individuo resistente ad entrambi i patogeni
Quando si fa Miglioramento Genetico si possono avere due scenari particolari:
1) P1e P2 sono equivalenti
2) P1 e P2 non sono equivalenti
Backcross o reincrocio: re-incrocio tra un ibrido F1 e uno dei suoi
parentali (ricorrente) non per creare nuove varietà ma per aumentare la %
di genoma del ricorrente a scapito del donatore. Ci vogliono 5-6 BC come
minimo, ma anche di più, per completare la ‘pulizia’ del genoma.
- The F1 contains
50% genes from
each of the two
parents
- Repeated
backcrossing would
systematically
increase the
proportions of gene
from the recurrent
parent
- At least 6-7
Backcrossing
• Markers can be used to greatly minimize the amount of donor
chromosome….but how?
Conventional backcrossing
TARGET
GENE
F1
BC1
c
c
BC2
BC3
BC10
BC20
Marker-assisted backcrossing
TARGET
GENE
c
Ribaut, J.-M. & Hoisington, D. 1998 Marker-assisted selection:
new tools and strategies. Trends Plant Sci. 3, 236-239.
F1
BC1
BC2
Ci sono 3 livelli di selezione con marcatori da applicare nel backcross.
Nel 1° livello i marcatori servono per screenare gli individui con il
carattere di interesse (target trait), ad es. Resistenza ad un patogeno.
1
2
3
4
Target locus
Marker-assisted backcross
1- TARGET LOCUS SELECTION
1
2
3
4
Marker-assisted backcross
2- RECOMBINANT SELECTION
RECOMBINANT
SELECTION
Nel 2° livello si selezionano gli individui nella
progenie che hanno sia il locus target sia dei
marcatori un po’ meno vicini.
Step 1 – select target locus
BC1
Step 2 – select recombinant on either side of target locus
OR
Marker-assisted backcross
1
2
3
4
3- BACKGROUND SELECTION
BACKGROUND
SELECTION
Nel 3° livello si seleziona la progenie (che ha il locus
target) con il maggior numero di marcatori
‘background’. Si scartano quelli che hanno più marker
del donatore e si tengono quelli che ne hanno di più
del ricorrente.
•Si velocizza il processo.
CONVENTIONAL BACKCROSSING
P1 x
P2
MARKER-ASSISTED BACKCROSSING
P1 x
P1 x F1
P1 x F1
BC1
BC1
SELEZIONE FENOTIPICA DI BC1; SCELTA DELLE PIANTE PIÙ
SIMILI AL GENITORE RICORRENTE
BC2
P2
UTILIZZO DEI MARKER BACKGROUND PER SELEZIONARE LE
CON MAGGIOR % DEL GENOMA DEL RICORRENTE
BC2
PIANTE
3- Stabilizzazione e moltiplicazione
Specie ad impollinazione incrociata (autoincompatibili): erba medica,
legumi, barbabietola, etc.
Si lavora con popolazioni di piante eterozigoti e non con linee singole
omozigoti, la popolazione sarà un insieme di diversi fenotipi con le
caratteristiche volute.
In alcuni casi la progenie ottenuta dalla crescita di queste sementi sarà
ancora utilizzabile per la semina, in altri casi la semente andrà
acquistata ogni volta perché la generazione successiva avrà
caratteristiche inferiori.
Specie Autocompatibili
Linee inbred (congenito): frumento, orzo, riso, soia, pisello, pomodoro,
tabacco, etc.
Specie autoimpollinanti omozigoti, dopo la selezione della linea
d'interesse questa viene autoimpollinata fino a diventare omozigote.
In alcuni casi però:
The plant at the far left is noninbred, the plant second from
left was produced by one
generation of self-pollination,
and the two plants on the right
were
produced
by
two
generations of self-pollination.
Inbred plant B73 (left), inbred
plant Mo17 (middle), and hybrid
plant B73 x Mo17 (right)
Sementi
cipolla,
ibride:
sorgo,
mais,
pomodoro,
etc.
Sementi ottenute da uno
specifico
incrocio
di
due
linee parentali che produce
una
progenie
eterosi
(alto
eterozigosità)
con
grado
ed
alta
di
un
maggiore vigore rispetto alle
due linee parentali.
Per il mais per esempio si
procede
manualmente
emasculando
la
linea
'materna.
L'ampiezza del vigore ibrido
sembra essere correlata con la
diversità genetica tra le due
linee parentali.
Phenotypic heterosis in the B73 × Mo17 hybrid. Representative
B73, Mo17, and F1 hybrid ears and plants are shown. Note the
increased size of the two hybrid ears and three hybrid rows
relative to the two inbred parents
Comparison
Gene to be
transferred
Modern Plant
Biotechnology
Conventional Plant
Breeding
Any genes from any
Only genes from plants of
organisms (e.g.,
the same species or
bacteria, plants, yeast, compatible groups of
animals, humans, etc.) plants
Methods of gene
Genetic engineering
transfer
Selection and
hybridization
Time to achieve
Less than two years
new plants
More than two years
Cost of plant
breeding
highly expensive
Less expensive
Technology
Very advanced and
difficult
Basic and simple