METODI DI SELEZIONE GENOMICA IN PATATA Riccardo AVERSANO [email protected] , 081.2532.124, www.pbglab.it PROVIAMO A RIASSUMERE 5 ASPETTI RILEVANTI PER IL MIGLIORAMENTO GENETICO DELLA PATATA!! 5 ASPETTI RILEVANTI PER IL M.G. PATATA Quanto più diversi sono gli alleli di uno stesso locus, tanto più elevata è l’eterozigosi, e maggiore è il numero di interazioni epistatiche e tra loci distinti. Dal punto di vista fenotipico ciò consente di massimizzare il vigore ibrido (eterosi). Il peggioramento delle performance delle progenie prodotte a seguito di autofecondazione o di incrocio tra parentali geneticamente simili è attribuibile: • all’incremento di omozigosi, • alla perdita di interazioni trialleliche e tetralleliche richieste per massimizzare l’eterosi Genotipi omozigoti sono difCicili da ottenere tramite autofecondazione a causa della depressione da inbreeding. 5 ASPETTI RILEVANTI PER IL M.G. PATATA I miglioratori nel deCinire le strategie per massimizzare l’eterozigosi e il multiallelismo (e quindi l’eterosi) devono essere molto attenti all’uso di parentali appropriati. Progenie con alti livelli di multiallelismo possono essere prodotte attraverso: • impollinazioni controllate che coinvolgono parentali geneticamente diversi o • sfruttando i gameti 2n. 5 ASPETTI RILEVANTI PER IL M.G. PATATA Come ogni specie propagata vegetativamente, la patata è altamente eterozigote. Di conseguenza, nella generazione F1 che segue l’ibridazione, è attesa la segregazione dei caratteri. Nelle specie a propagazione vegetativa la varietà corrisponde al CLONE
Gruppo di individui geneticamente identici derivanti dallo stesso progenitore 5 ASPETTI RILEVANTI PER IL M.G. PATATA Come ogni specie propagata vegetativamente, la patata è altamente eterozigote. Di conseguenza, nella generazione F1 che segue l’ibridazione, è attesa la segregazione dei caratteri. La patata coltivata ha una base genetica ridotta rispetto alle specie selvatiche. Ciò è dovuto principalmente al numero limitato di genotipi che sono stati usati per sviluppare le tipologie coltivate. In tutti i programmi di miglioramento genetico occorre avere informazioni sulla base genetica dei caratteri da modiCicare. OUTLINE •
Gli obiettivi •
Metodi covenzionali di miglioramento genetico - Livello intraspeciCico - Livello interspeciCico Le colture in vitro - Produzione di aploidi - Fusione somatica •
•
Ingegneria genetica •
La selezione assistita OUTLINE •
Gli obiettivi del m.g. patata •
Metodi covenzionali di miglioramento genetico - Livello intraspeciCico - Livello interspeciCico Le colture in vitro - Produzione di aploidi - Fusione somatica •
•
Ingegneria genetica •
La selezione assistita genetico della patata per produrre variabilità genetica e per
effettuare una selezione efficiente. Affinché un miglioratore
operi con successo è necessario che sappia integrare strategie
convenzionali e innovative, coniugando le conoscenze della
MIGLIORAMENTO GENETICO DELLA PATATA Multidisciplinarità del miglioramento genetico
Patologia
ed entomologia
Biochimica
Biologia
molecolare
Genetica
MIGLIORAMENTO
GENETICO
Biotecnologie
Fisiologie
Agronomia
Statistica
e bioinformatica
l’eterosi) devono essere molto attenti all’uso di parentali appropriati.
Progenie con alti livelli di multiallelismo possono essere prodotte
attraverso impollinazioni controllate che coinvolgono parentali
geneticamente diversi o sfruttando i gameti 2n.
MIGLIORAMENTO GENETICO DELLA PATATA Dogma centrale del miglioramento genetico
t*CSJEB[JPOFTFTTVBMFFTPNBUJDB
t.VUBHFOFTJ
t$PMUVSFJOWJUSP
t*OHFHOFSJBHFOPNJDB
t*OHFHOFSJBHFOFUJDB
1SPEV[JPOF
EJWBSJBCJMJUË
HFOFUJDB
SELEZIONE
/607"7"3*&5®
t'FOPUJQJDB
t$FMMVMBSF
t.PMFDPMBSF
OBIETTIVI DEL M.G. DELLA PATATA FOOD SAFETY ENVIRONMENT FOOD QUALITY • pesticides • glycoalkaloids • nutritional value • water availability • acrylamide • improved Plavour • climate changes • improved processing quality POTATO PROCESSING VOLUME ($) POTATO PROCESSING VOLUME processed
120
fresh
100
%
80
60
40
20
0
China
EU
USA
QUALITÀ DEL TUBERO -­‐ 1 Il miglioramento delle caratteristiche qualitative del tubero sta diventando sempre più importante. I principali caratteri qualitativi sono: - caratteri morfologici (colore della buccia e della polpa, forma del tubero, profondità degli occhi, caratteristiche della buccia, lunghezza degli stoloni) - caratteri Pisiologici (dormienza e tuberizzazione) - tipologia culinaria e tessitura - caratteri qualitativi interni (contenuto in amido, glicoalcaloidi, resistenza a imbrunimento, addolcimento, peso speciCico, ammaccatura) QUALITÀ DEL TUBERO -­‐ 2 Tra i nuovi obiettivi dei miglioratori c’è lo sviluppo di varietà che nei tuberi non accumulano asparagina e glicoalcaloidi. - L’asparagina è un aminoacido precursore dell’acrilamide, che si forma durante la reazione Maillard come parte del processo di cottura. Ha effetti cancerogeni e potrebbe danneggiare il sistema nervoso. - I glicoalcaloidi sono ugualmente tossici, se assunti in grandi quantità, avendo possibili effetti teratogeni, embriotossici e cancerogeni POTATO PROCESSING VOLUME TUBER QUALITY EXTERNAL
INTERNAL
tuber appearance
dry matter content
tuber size
flavour
tuber shape
sugar content
skin colour
starch quality
flesh colour
…….
protein content
……..
The deCinition of potato quality changes according to the speciCic market
REQUIREMENTS BY TYPE FF
CHIPS
MASHED
CANNED
DRY MATTER, %
18-22
20-26
>22
<18
REDUCING
SUGARS, %
<0.5
<0.25
>1
>1
obl./elong.
round
round/oval
round/oval
60-80
40-60
-
<35
SHAPE
SIZE, MM
FACTOR AFFECTING QUALITY Variety Crop maturity Cultural practices Pests and diseases Soil, water and climatic conditions Storage temperature BREEDING FOR QUALITY quality traits that can be improved through breeding Biological traits proteins, carbohydrates, vitamins, minerals, reduced amounts of toxic factors (GA) Sensorial traits Clavour, texture, colour Industrial traits shape, size, dry matter content, cold sweetening, oil absorption, starch quality COSA SAPPIAMO SUL CONTROLLO GENETICO DEI CARATTERI LEGATI ALLA QUALITÀ? BREEDING FOR QUALITY Gene action and/or heritability values have been identi8ied for quality traits such as -­‐ Anthocyanin pigmentation -­‐ Polyphenol oxidase activity -­‐ Ca concentration -­‐ Tuber shape -­‐ Flesh pigmentation -­‐ SpeciPic gravity -­‐ Chip colour -­‐ Starch content BREEDING FOR QUALITY Distribution on the potato map of QTLs controlling quality traits TRAIT
CHROMOSOMES
REFERENCE
Specific gravity
I, II, III, IV, V, VII, IX, XI, XII
Bonierbale et al., 1993,
Van der Berg et al., 1996
Chip colour
II, IV, V, X
Douches & Freyre, 1994
Starch content
All
Schafer-Pregl et al., 1998
GA content
I, IV, VI, VIII, XI, XII
Yencho et al., 1998
Bouarte-Medina et al., 2002
OUTLINE •
Gli obiettivi •
Metodi covenzionali di miglioramento genetico - Livello intraspeciCico - Livello interspeciCico Le colture in vitro - Produzione di aploidi - Fusione somatica •
•
Ingegneria genetica •
La selezione assistita OUTLINE •
Gli obiettivi •
Metodi covenzionali di miglioramento genetico - Livello intraspeciCico - Livello interspeciCico Le colture in vitro - Produzione di aploidi - Fusione somatica •
•
Ingegneria genetica •
La selezione assistita LIVELLO INTRASPECIFICO tbr 4x x tbr 4x 4X POPOLAZIONE fase successiva, infatti, gli ibridi che presentano caratteristiche
superiori e che producono gameti 2n sono incrociati con le
varietà coltivate 4x(4EBN) per ripristinare la condizione tetraploide
SELEZIONE CLONALE Schema di un programma di selezione clonale
Anno
I
II-III
IV-VII
VIII-X
Varietà A
x
Varietà B
Semenzali F1
10% selezionati
I e II generazione
di selezione clonale;
10 % selezionato
ogni anno
III, IV, V e VI generazione
di selezione clonale;
Parcelle ripetute
Valutazione qualità
e resistenze
Confronto con vaietà
controllo
Registrazione
clone superiore
SELEZIONE CLONALE Clone parentale !
Anno
I
II-III
IV-VII
VIII-X
A
X
Clone parentale !
B
^
^
^
^
^
^
^
^
^
^
^
^
^
^
^
^
10000 F1!
10% selezionato!
10% selezionato ogni anno!
Prove ripetute!
Località differenti!
Confronto con standard!
Registrazione clone superiore!
SELEZIONE CLONALE http://cropscience.ch/?p=536
SELEZIONE CLONALE IN PATATA Anno
Piantine F1 da incrocio A x B!
I
100000
II
3000
3 tuberi/genotipo!
III
2000
10 tuberi/genotipo!
IV
800
20 tuberi/genotipo!
V
150
VI
50
VII
3
VIII
1
NUOVA VARIETA’
!.
.
.
.
.
.
.
!
EVALUATION OF 4X CLONES FOR
SEVERAL TRAITS
- Earliness
- Plant habit
- Yield
- Tuber morphology
- Tuber specific gravity
- Chipping ability
- Resistances
- ………
SELEZIONE CLONALE IN PATATA TEST FRITTURA DI CLONI AVANZATI 4X TEST FRITTURA DI CLONI AVANZATI 4X At harvest
Without reconditioning
Reconditioned
70%
Clones,
%
cloni %
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
<4
5-6
Transformation
index
Valore
indice frittura
>6
PRECOCITÀ CLONI AVANZATI 4X 1 = very early
5 = very late
30
% of clones
25
20
15
10
5
0
1
2
3
Earliness
4
5
miglioramento genetico
SELEZIONE CLONALE IN PATATA egetale con quelle delle altre discipline a essa collegate,
on le più recenti acquisizioni della genomica strutturale
le.
enetici rilevanti per il miglioramento genetico
Ø U
so capitolo
di parentali ultiplex cusso
nel
Risorse m
genetiche
e genomica, la
della patata è davvero unica, e risulta più complicata di
Ø Cspecie
onsiderare reditabilità Particolarmente
caratteri in F1 gni altra
diploide oeallopoliploide.
e per il miglioramento genetico è la situazione allelica a
Ø Prove di progenie cus. Negli autopoliploidi, infatti, quanto più diversi sono
unoØ stesso
tanto piùadattati elevata è l’eterozigosi, e
Uso dlocus,
i parentali è il numero di interazioni epistatiche e tra loci distinti.
di vista fenotipico ciò consente di massimizzare il vigore
rosi).Svantaggi A ogni locus sono possibili fino a 4 alleli differenti
pio A1, A2, A3, A4) e quindi vari effetti genetici non-additivi:
tetrasomica rdine• (traEredità due alleli),
di secondo ordine (tra tre alleli) e di
ne (tra
e quattro gli
In unpgenotipo
tetrallelico
• tutti
Selezione su alleli).
grosse opolazioni ponde a 11 interazioni eteroalleliche. Il peggioramento
formance
delle progenie
• Sterilità elevata prodotte a seguito di
dazione o di incrocio tra parentali geneticamente simili
bile non solo all’incremento di omozigosi, ma anche
a di interazioni trialleliche e tetralleliche richieste per
are l’eterosi. I miglioratori, pertanto, nel definire le
er massimizzare l’eterozigosi e il multiallelismo (e quindi
evono essere molto attenti all’uso di parentali appropriati.
con alti livelli di multiallelismo possono essere prodotte
Prove di progenie
t Spesso si ricorre alle cosiddette prove
di progenie per identificare la migliore
combinazione di parentali. Esse
permettono di scegliere una coppia di
genitori in base alle performance delle
loro progenie
t Queste prove si basano sulla
stima di due importanti parametri:
l’attitudine alla combinazione generale
e l’attitudine alla combinazione
specifica. La prima si riferisce alla
performance media della progenie
di un parentale incrociato con altri
parentali; la seconda, invece, riguarda
la performance della progenie
di un parentale in una specifica
combinazione a confronto con la
performance dello stesso parentale in
altre specifiche combinazioni
OUTLINE •
Gli obiettivi •
Metodi covenzionali di miglioramento genetico - Livello intraspeciCico - Livello interspeciCico Le colture in vitro - Produzione di aploidi - Fusione somatica •
•
Ingegneria genetica •
La selezione assistita GENE POOL CONCEPT In un numero crescente di programmi di miglioramento si cerca di utilizzare l’immenso patrimonio genetico delle specie selvatiche, fornitrici di caratteri (e quindi geni) utili e di diversità allelica. Tertiary
Primary Genepool: a
cultivated crop including all
cultivars and land races
Secondary
Secondary Genepool:
wild species “fairly
closely” related to a crop
species
Tertiary Genepool:
wild species “distantly”
related to a crop
species
Primary
S. tuberosum
X
IL MODELLO EBN Nelle strategie di miglioramento genetico basate sull’ibridazione sessuale è importante conoscere il numero di bilanciamento dell’endosperma (Endosperm Balance Number, EBN) dei parentali per deCinire schemi di incrocio appropriati specie selvatiche
DOPPIA FECONDAZIONE o state
ipi delenetico
ura sopito del
oderne
parole
nia con
risorse
enomiantitatierivanti
e di sistudi di
nza dei
o e per
e della
agrario,
atata. Il
quenze
ne “gema nel
branca
i e alle
questo
po delzionale.
o della
ica del
e la di-
Endosperma
t L’endosperma è un tessuto di riserva
del seme di estrema importanza per lo
sviluppo dell’embrione. Esso gioca un
ruolo analogo a quello della placenta
nei mammiferi nel trasferimento di
nutrienti dalla madre all’embrione.
Geneticamente, l’endosperma deriva
dalla fusione di un nucleo aploide di
origine paterna (nucleo spermatico) e
due nuclei aploidi di origine materna
(nuclei polari). La fecondazione dei
tre nuclei origina un cellula triploide
(endosperma primario) con un rapporto
di genomi materni e paterni di 2:1
Genetica e genomica
t La genetica differisce dalla genomica
in quanto la prima si occupa
specificamente dell’azione di un
singolo gene o per lo meno di pochi
geni alla volta, mentre la seconda
studia l’azione collettiva di tutti i geni
contemporaneamente
Foto R. Angelini
IL MODELLO EBN • Ogni specie ha un numero effettivo (l’EBN), che non necessariamente riClette la sua ploidia • L’EBN è un numero assegnato empiricamente a una specie in base all’esito di incroci interspeciCici con specie tester a EBN preassegnato • S. chacoense (2n=2x=24) fu scelta come specie tester e ad essa fu assegnato un valore arbitrario di EBN=2 (2EBN). Analogamente, agli individui tetraploidi (2n=4x=48) di S. chacoense, ottenuti mediante raddoppiamento cromosomico, fu assegnato un EBN=4 (4EBN). • Le specie di Solanum furono classiCicate in diversi gruppi sulla base della loro com-­‐patibilità d’incrocio con il diploide (2EBN) e il tetraploide (4EBN) di S. chacoense e da queste informazioni predissero l’EBN di ciascun gruppo. IL MODELLO EBN 1 EBN 2x: S. brachistotrichum, S. brevidens, S. jamesii, S. bulbocastanum, S. pinnatisectum, S. commersonii…. 2 EBN 2x: S. tuberosum haploids, S. chacoense, S. berthaultii, S. multidissectum, S. phureja ... 4x: S. acaule, S. fendleri 4 EBN 4x: S. tuberosum, S. andigena, S. brachycarpum ... 6x: S. demissum IL MODELLO EBN Af8inché un incrocio abbia successo è necessario che nell’endosperma degli ibridi ci sia un rapporto di 2:1 tra EBN materno e paterno. Questo normalmente si veri8ica quando i due parentali hanno lo stesso EBN IL MODELLO EBN Gametophyte female male Embryo Endosperm EBN : EBN S. tuberosum 4x(4EBN) x S. acaule 4x(2EBN) 2x 2x 2EBN 2EBN 2x 1EBN 2x 2EBN 2x 1EBN 4x(3EBN) 6x(5EBN) 4 : 1 4x(4EBN) 6x(6EBN) 2 : 1 4x(4EBN) 6x(6EBN) 2 : 1 S. tuberosum 4x(4EBN) x S. andigena 4x(4EBN) 2x 2x 2EBN 2EBN 2x 2EBN 2x 2EBN 2x 2EBN S. tuberosum 4x(4EBN) x S. chacoense 2x(2EBN) (2n gametes) 2x 2x 2EBN 2EBN 2x 2EBN 2x 2EBN 2x 2EBN
