Le intuizioni di Darwin applicate all’agricoltura

Prof. Adriano MaroccoUniversità Cattolica del Sacro Cuore

Convegno “Darwin, evoluzione e agricoltura”

Piacenza, 26 novembre 2009

Le intuizioni di Darwin applicate all’agricoltura

La variazione spontanea, i cambiamenti nel DNA,i caratteri utili

Evoluzione delle sequenze del DNA

John Herschel1792-1871

Charles Darwin1809-1882

1859 1866MendelDarwin

Leggiereditarietà

1900DeVries, Correns, Tschermak

Riscopertaleggi diMendel

On the Origin

of Species

1859 19001866Mendel DeVries,

Correns, Tschermak

Darwin1953

Watson,Crick

Struttura delDNA

Leggiereditarietà

Riscopertaleggi diMendel

On the Origin

of Species

Il 25 Aprile 1953 James Watson e Francis Crick rivelarono la struttura della molecola del DNA in cui è scritto il progetto genetico

degli organismi

1859 195319001866

Sequenzagenoma umano

2003Watson,Crick

Mendel DeVries, Correns, Tschermak

Darwin

Struttura delDNA

Leggiereditarietà

Riscopertaleggi diMendel

On the Origin

of Species

Specie N° cromosomi

(n)

Dimensione genoma

(Mbp)

Riso 12 400

Mais 10 2.800

Frumento 21 16.500

Shrunken10-6

Soppressore del colore I

10-4

Mo17

B73

Brunner et al., 2005 Plant Cell 17: 343; Morgante et al., 2005 Nat. Genet. 37: 997

Locus 9008 Cromosoma 2SBin2.04 Markers umc1326 - umc1448

33356869C P H A K L I G P T K P P L Y R S V T W N E Y L G T K A K H F N K A L 348S i V P U V S U V E S ~ l O ~ l K349 ~ H ~ S S V R L C T P I N G L F O V N D S N K N S V O V G 374 Pea3Bh

Alto basso

Lester et al., 1997 Plant Cell 9

La rivoluzione verde di Norman Borlaug:le varietà

di frumento e 

riso a bassa taglia ed  elevato indice di raccolto

Hidden 2003. Trends Genet. 19: 5; Salamini 2003. Science 302: 71 .

glucosioSBE 1

Amilosio Amilopectina

LiscioRugoso

Bhattacharyya et al. 1990 Cell 60: 115

TEnel gene

TE attivotardivamente

TE fuori dal gene

TE attivoprecocemente

TE

Nessunprodotto

Prodotto delgene

Excisione

Relazioni di discendenza del mais (Zea mays mays), dei teosinte e di Tripsacum.

9.000 anni fa

Brandolini, 2006 Il mais in Italia, CRF Bergamo

Teosinte

tb1, teosinte branched

tga1, teosinte glume architecture

ra1, ramosa

Mais

Desprez et al. 2003 Science 302: 1206; Vollbrecht e Sigmon 2005 Biochem. Soc. Transact. 33: 1502

Mais primitivo. Teosinte (sinistra) e mais primitivo (destra). Il mais primitivo è stato ricostruito incrociando Teosinte con mais argentino.

Spiga di mais delle Ocampo Caves (Venezuela), datata 3890 ± 60 anni fa. Lunghezza, 47 mm.

Mo17

B73

Teosinte

tb1

tga1Mais

Equilibripunteggiati

Evoluzionea salti

1862 1865 1868 1875 1876 1877 1880 1881

Le opere botaniche successive all’Origine delle Specie

La fecondazione incrociata e l’autofecondazione

Le forme di autoincompatibilità

La superiorità degli ibridi

Nel corso di 37 anni, Darwin ha lavorato su 57 specie vegetali. Ha riprodotto e incrociato le piante in campo e in serra.

Ha analizzato le progenie per caratteri morfologici e fisiologici (altezza, peso, fertilità) ed ha raccolto i dati in con molto scrupolo.

Per l’interpretazione di alcuni dati sperimentali ha fatto ricorso a Galton che ha condotto l’analisi statistica.

'The Mount‘, Shrewsbury, c. 1860

Frumento, autogamo

Mais,monoico

Pomodoro, autocompatibile

Pepe, unisessuale/ermafrodita

Girasole, autocompatibile

1862 1865 1868 1875 1876 1877 1880 1881

Primula sinensis

Qui

ckTim

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esso

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Fiori con eterostilia dimorfa (Darwin, 1877)

Forma a stilo lungo

PIN

Forma a stilo cortoTHRUM

Unione omomorfaFecondità incompleta

Unione eteromorfaUnione omomorfa

Fecondità incompleta Feconditàcompleta

Autoincompatibilita’ eteromorfica o eterostilia

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Lithrum salicaria

Fiori con eterostilia trimorfa (Darwin, 1877)

Stilo lungo

Stilo medio

Stilo corto

Polline auto-incompatibile

Degradazione

Stigma

Blocco germinazione

Brassicacee o Crucifere

Autoincompatibilita’ monomorfica

Goring e Walker 2004 Science 303: 1474-1475

1862 1865 1868 1875 1876 1877 1880 1881

Riduzione dell’allegagione e dei semi per frutto in specie eteromorfe dopo impollinazione incompatibile (impollinazione compatibile = 100)

SPECIE ALLEGAGIONE % SEMI PER FRUTTO %

Primula (media di 9 specie) 88 69Hottonia palustris (1) _ 61Linum grandiflorum _ 69Linum perenne _ 20Linum perenne (2) 0 0Pulmonaria officinalis (2) 0 0Pulmonaria angustifolia 35 32Mitchella repens 20 47Borreria sp. _ 0Poligonum fagopyrum _ 46Lythrum salicaria 33 46Oxalis Valdiviana (2) 2 34Oxalis Regnelli 0 0Oxalis speciosa 15 49

(1) da H. Muller (1873) (2) rispettivamente da Hildebrand (1869, 1865, 1871)

Semi(%) prodotti da piante di diversa origine (Ibrido = 100)(Darwin, 1877)

SPECIE IBRIDO SIB SELF

Mimulus luteus 100 4 5

Eschscholtzia californica 100 45 40

Dianthus caryophyllus 100 45 33

Petunia violacea 100 54 46

Specie in cui Darwin ha trovato ibridi superiori per altezza, peso e fertilità.

Brassica oleracea Reseda odorata e lutea Limnanthes douglasii Papaver vagum Viscaria oculata Beta vulgaris Lupinus luteus Ipomaea purpurea Mimulus luteus Calceolaria sp. Verbascum thapsus Vandellia nummularifolia Lactuca sativa Zea mays

Altre osservazioni genetiche trovate nelle opere di Darwin.

Le piante derivate da incroci sono più tolleranti agli stress abiotici e sono più produttive.

Nel 1881, Darwin incita il Dr.William James Beal a condurre esperimenti sui

mais ibridi.

Indicazione di distanze minime fra campi per prevenire l’interincrocio nel

corso della produzione di seme commerciale.

William Beal1833-1924

George H. Shull1874-1954

Lussureggiamento ovigore degli ibridi o eterosi

Beard e Cookingham 2007 Agron. J. 99: 1180; Crow 1998 Genetics 148: 923

aaAA X Aa

Sovradominanza

AA X aa Aa

Dominanza

Schnable, Swanson-Wagner 2009 In: Handbook of Maize: Its Biology.Bennetzen, Hake (Eds), Springer, pagg. 457-467

Varietà

Ibridi semplici

Ibridi a4 vie

Anno

Prod

uzio

ne

200619501900

1862 1865 1868 1875 1876 1877 1880 1881

Nell’evoluzione dell’universo e della vita, il mondo ci appare come un “libro” in cui, malgrado gli elementi irrazionali e caotici, la ragione è capace di penetrare.

In questo modo la scienza stessa scopre che questo libro “è leggibile”; esso ha senso, possiede una logica e perfino una “matematica intrinseca” che possiamo cogliere come ordine e come innegabile finalità. In questo compito scienza e filosofia si muovono insieme nella riflessione sul delicato equilibrio che struttura il mondo fisico, la vita e il suo sviluppo, per arrivare anche a ciò che è specifico della persona umana.

Dal discorso di Benedetto XVI alla Sessione Plenaria della Pontificia Accademia delle Scienze, 2008