Genomica e New Breeding per l’Agricoltura del XXI Secolo M. Enrico Pè Istituto di Scienze della Vita Firenze 4 Ottobre 2013 Nuove frontiere per la genetica e l'agricoltura : le biotecnologie vegetali in Italia Le Grandi Sfide dell’Agricoltura del XXI secolo Aumento della popolazione 7 miliardi nel 2011 9 miliardi nel 2040 (ONU) Cambiamenti climatici già in atto Agricoltura sostenibile rispettosa dell’ambiente ma produttiva Alimentazione e salute qualità degli alimenti Contributo del Miglioramento Genetico: Fornire Varietà Nuove 1. Elevato potenziale produttivo 2. Elevate qualità nutritive e di trasformazione industriale 3. Stabilità produttiva tolleranza/resistenza a stress biotici e abiotici 4. Efficenza nell’utilizzo delle risorse metabolismo N, P, fotosintesi traslocazione fotosintati, ecc. COME? Risorse genetiche Miglioramento Miglioramento Genetico è un processo evolutivo accelerato diretto dall’uomo Il miglioramento genetico è un processo ciclico lento e costoso che si basa sulla riproduzione sessuale controllata e sugli incroci tra individui scelti (selezione artificiale) Bruegel il vecchio XVI sec. Abbassamento della taglia uno dei pilastri della Green Revolution degli anni ‘70 RELAZIONE GENOTIPO – FENOTIPO PROBLEMA PRINCIPALE GENOMA GENI TRANSCRIZIONE AMBIENTE RNA mRNA TRADUZIONE PROTEINE METABOLISMO FISIOLOGIA B73 Produzione e vigore ibrido FENOTIPO F1 Sviluppo e risposta a stress H99 1 cm ALCUNE IMPORTANTI DEFINIZIONI Gene: Alleli: 1. unità ereditaria 2. unità funzionale di DNA Forme ALTERNATIVE dello stesso gene …C C A T T G A C… …G G T A A C T G… Allele 1 …C C G T T G A C… …G G C A A C T G… Allele 2 PROBLEMA: Determinare il significato funzionale della variabilità genetica • identificazione • misurazione della variabilità • analisi genetica SIGNIFICATO MODERNO di GENOMA L’intero contenuto di MATERIALE GENETICO - DNA In una cellula, in un organismo, o in una specie Rappresenta il POTENZIALE in termini di functionalità di un organismo Complessità di un Genoma è descritta come il numbero di paia di basi (base-pairs o bp) 1 Mbp = 1 milione di bp SEQUENCING A GENOME Grapevine 500 Mb Shotgun sequencing (genomes equivalents) Assembly Gene Prediction Annotation LA GENOMICA VEGETALE in ITALIA GENOMI PUBBLICATI • Vite 2007 • Melo 2010 • Tartufo • Patata 2011 • Pomodoro 2012 • Pesco 2013 • Abete rosso 2013 IN PROGRESS • Frumento • Olivo • Citrus Università ENEA CNR CRA RISULTATI PRINCIPALI 1. Una nuova generazione di Giovani ricercatori con FORTI COMPETENZE di Genomica, Biologia Molecolare, Bionformatica 2. Forte internazionalizzazione LA SECONDA RIVOLUZIONE GENOMICA Identification of Genetic variations NO LONGER the Bottle Neck Single Nucleotide Polymorphism - SNP - Identified by sequencing - Their frequency depends on several factors (1 in < 100 bp) …C C A T T G A C… Single Nucleotide …G G T A A C T G… Polymorphism …C C G T T G A C… …G G C A A C T G… Molecular Characterization DNA-chips Re-sequencing individual plants GENETIC MAP Molecular Marker – Genetic locus that identifies a position on the genetic map 1 centi-Morgan (cM) = 1 recombinant / 100 meiotic products M1 G 20cM M2 10cM GENOTIPO RICOMBINANTE DI MAIS Ogni punto una variante Allelica Blu = Genitore 1 Rosa= Genitore 2 Crop genetic diversity Elite Cultivars Genetic variability Cultivated Species Natural Populations Genetic diversity in wheat & friends Exploitability MAPPING PHENOTYPES: COMBINING GENOMIC CHARACTERIZATION WITH MEASUREMENTS Bi-parental population Not structured population MAPPING PHENOTYPES: COMBINING GENOMIC CHARACTERIZATION WITH MEASUREMENTS Statistical analyses Zooming on the genome Association Mapping is to EXPLICITLY test each locus for association to a given trait is M1 related to phenotype? YES/NO/(MAYBE) is M2 related to phenotype? YES/NO/(MAYBE) … Each time, a regression Y = μ + Xβ + ε …and a test against H0 : Y=μ+ε Preliminary Mapping: Plant Hight General Linear Model; phenotypic data averaged from two field replicas Plant Height GENOTIPO RICOMBINANTE DI MAIS Ogni punto una variante Allelica Blu = Genitore 1 Rosa= Genitore 2 Regione che controlla la produzione Increasing Mapping Resolution with Multiparental Populations A multiparental (8-ways) RIL is a highly homozygous line whose genome is a mosaic of eight parental genomes realized through a controlled intermating scheme of eight founder lines followed by repeated selfing/sibling generations. Advantages of 8-Ways RILs Due to their multi-parental nature • Higher probability of informative crossover events • Higher average number of small recombination segments • Higher mapping resolution • Higher likeliness of a Trait/QTL to segregate (broader base of variation) The Collaborative Cross: Mixing and Inbreeding The Collaborative Cross design consists of two main stages: 1. MIXING STAGE: progenitor lines are intercrossed to produce a foundation population whose genomes each contain some genetic material from every founder line. 2. INBREEDING STAGE: randomly chosen individuals of the foundation population are inbred (by selfing or sibling), each producing a distinct 8way recombinant inbred line. 1. Mixing Stage: Three Steps Production of 2-way F1 from every distinct pair of founders, generating hybrids of composition AB, AC, . . . , FH, GH (diallel cross) × Inbred line Group Subgroup A632 SS B14A ► A AB AC AD AE AF AG AH B73 SS B73 ► B BC BD BE BF BG BH B96 TS Suwan ► C CD CE CF CG CH F7 Mixed - ► D DE DF DG DH H99 NSS NSS-mixed ► E EF EG EH HP301 Popcorn - ► F FG FH Mo17 NSS CO109:Mo17 ► G GH W153R NSS NSS-mixed ► H S o urc e : Liu e t al. 2003 A B C D E F G H Disjoint Diallel 1: Producing 4-Ways Hybrids × A A A A A A A B B B B B B C C C C C D D D D E E E F F G B C D E F G H C D E F G H D E F G H E F G H F G H G H H √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ A B √ A C √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ A D √ A E √ √ A F √ √ √ A G √ √ √ √ A H √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ B C √ B D √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ B E √ B F √ √ B G √ √ √ B H √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ C D C E √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ Disjoint Diallel 2: Producing 8-Ways Hybrids ABCD pool A B × C D A C × B D A D × B C EFGH pool × ABCE pool A B × C E A C × B E E F × G H E G × F H E H × F G A B C D E F G H 8-ways #1 DFGH pool A E × B C × D F × G H D G × F H D H × F G etc... 35 pools A B C D E F G H 8-ways #2 etc... Phenotypic Variation: An Example Il Nuovo Collo di Bottiglia? L’Analisi Fenotipica To Double Yield by 2050 We Need AGE