GENOMI Opera

Omnia ???

A cura di Elisa Vendramin, Sabrina Micali, Maria Teresa Dettori e Ignazio Verde Consiglio per la Ricerca e Sperimentazione in Agricoltura – Centro di Ricerca per la Frutticoltura di Roma

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Le prime piante che producevano semi erano molto simili alle conifere (es. Pino) e ai Ginkgo e non producevano fiori. Il più antico fossile identificato con certezza come un’angiosperma, l’Archaefructus liaoningensis, risale al periodo Cretaceo (125 milioni di anni fa), anche se reperti fossili di polline appartenenti alle angiosperme sono stati ritrovati in sedimenti di 130 milioni di anni fa. Uno studio del 2007 stima che la divisione dei 5 maggiori gruppi delle angiosperme (l’ordine delle Ceratophyllales e delle Chloranthales, le Magnoliidae, le Eudicotiledoni e le Monocotiledoni) sia avvenuta circa 140 milioni di anni fa.

Alle angiosperme, attualmente classificate in 8 gruppi, sono ascritte più di 350.000 specie. I due gruppi più importanti sia per numerosità sia per il ruolo che rivestono nella vita dell’uomo sono quelli delle monocotiledoni (riso, orzo, mais, canna da zucchero, banana) e delle eudicotiledoni (pomodoro, pesco, melo, pioppo, vite, ecc.).

La Storia Del Mondo in 24 Ore In questo schema la storia del mondo dalla sua genesi ad oggi è stata riportata alle ore del giorno. E’ importante notare come la comparsa dell’uomo sulla terra sia avvenuta solo pochi secondi prima della mezzanotte

Le Angiosperme Nel 1879 Darwin definì l’improvvisa comparsa delle piante come un “abominable mistery”. In realtà con il passare del tempo la crescente scoperta di reperti fossili ha consentito di ricostruire con continuità l’evoluzione delle piante. Le prime spore fossili risalgono a 475 milioni di anni fa, le prime piante erano molto simili alle loro progenitrici, le alghe verdi. Il primo adattamento alla vita terrestre fu proprio la produzione di spore adattate ad essere disperse in ambiente asciutto e dare luogo a nuovi individui. Ma il cambiamento più grande fu la protezione dell’embrione dentro un guscio: il seme, capace di sopravvivere in assenza di acqua per lunghi periodi e di germinare quando questa si rendeva

nuovamente disponibile.

Nel tardo Cretaceo (circa 90 milioni di anni fa) le angiosperme sembrano occupare ambienti in precedenza colonizzati dalle felci, invece gli alberi con la loro larga chioma sostituiscono le conifere circa 66 milioni di anni fa fra la fine del cretaceo e l’inizio del terziario. Bisogna comunque ricordare che la filogenesi degli animali e delle piante fossili è un processo dinamico che viene modificato ogni qualvolta un nuovo fossile viene scoperto.

Il genoma è l’archetipo degli organismi viventi e racchiude il mistero della vita. Un’attenta analisi del contenuto e della struttura dei genomi consente di comprendere le diverse caratteristiche di ogni organismo e come queste diversità si siano fissate nelle specie moderne. L’enormità di dati genomici che è stata prodotta negli ultimi 15 anni consente per la prima volta di analizzare l’intero contenuto informazionale di diversi organismi contemporaneamente consentendo di individuare i percorsi paleo-evoluzionistici che hanno portato alle specie animali e vegetali moderne.

La genomica si occupa dello studio

del genoma degli organismi viventi.

In particolare della struttura,

contenuto, funzione

ed evoluzione del genoma. È una

scienza che si avvale

della bioinformatica per

l'elaborazione e la visualizzazione

dell'enorme quantità di dati che

produce.

GENOMA

insieme del materiale

genetico di un

individuo e comprende

sia i geni, parte

codificante, sia le

porzioni non codificanti

La paleogenomica, ricostruzione del genoma del progenitore delle moderne specie viventi, si basa sul confronto e sulla comparazione di una grande quantità di dati genomici e ha come obbiettivo principale quello di individuare e caratterizzare gli eventi di Duplicazione Completa del Genoma comuni e caratterizzanti gli ordini, le famiglie e i generi. Le duplicazioni complete del genoma seguite dalla perdita o fissazione dei geni sono riconosciute come una delle più importanti forze evolutive. L’affermazione delle piante è stato in larga parte attribuita a questo tipo di evento che ne aumenta il successo selettivo conferendo ai genomi vegetali una struttura più dinamica e malleabile rispetto al mondo animale. Le duplicazioni del genoma consentono ai geni duplicati di acquisire nuove funzionalità che possono conferire alla piante caratteristiche utili per la loro sopravvivenza in un determinato ambiente.

nome scientifico nome comune anno tipo classificazionenumero

cromosomi

dimensione

genoma

(Mb)

Arabidopsis thaliana arabidopsis 2000 modello eucotiledone 5 125

Fragaria vesca fragola 2011 coltura eucotiledone 7 240

Prunus persica pesco 2013 coltura eucotiledone 8 265

Brachypodium distachyon brachypodium 2010 modello monocotiledone 5 272

Cucumis sativus cetriolo 2011 coltura eucotiledone 7 367

Oryza sativa riso 2005 coltura monocotiledone 12 389

Citrullus lanatus cocomero 2012 coltura eucotiledone 11 425

Theobroma cacao cacao 2011 coltura eucotiledone 10 430

Cucumis melo melone 2012 coltura eucotiledone 12 450

Vitis vinifera vite 2007 coltura eucotiledone 19 475

Populus trichocarpa pioppo 2006 coltura eucotiledone 19 485

Musa acuminata malaccensis banana 2012 coltura monocotiledone 11 523

Pyrus bretschneideri pero 2013 coltura eucotiledone 17 527

Cicer arietinum cece 2013 coltura eucotiledone 8 738

Malus x domestica melo 2010 coltura eucotiledone 17 742

Solanum tuberosum patata 2011 coltura eucotiledone 12 844

Gossypium raimondii cotone 2012 coltura eucotiledone 13 880

Solanum lycopersicum pomodoro 2012 coltura eucotiledone 12 900

Glycine max soia 2010 coltura eucotiledone 20 1.115

Zea mayes mais 2009 coltura monocotiledone 10 2.300

Hordeum vulgare orzo 2012 coltura monocotiledone 7 5.100

Triticum aestivum grano tenero 2014 coltura monocotiledone 21 17.000

Ad oggi sono disponibili i genomi di più di 50 piante, la maggior parte delle quali appartiene al gruppo delle angiosperme e riveste un ruolo fondamentale per la vita dell’uomo sulla terra. Sono stati, inoltre, sequenziati anche i genomi di specie modello che consentono di effettuare studi di base nel campo della biologia e della fisiologia. Nella tabella qui a fianco sono riportati alcune della specie per le quali il genoma è stato decodificato.

La classe delle eudicotiledoni è un gruppo non monofiletico a cui appartengono le piante da fiore nel cui seme l'embrione è fornito di due cotiledoni (o foglioline). Le monocotiledoni sono tutte piante erbacee (anche le palme, nonostante l'apparenza) la maggior parte dei membri di questo gruppo possiede un solo cotiledone, o foglia embrionale, nei loro semi.

Numero Nucleotidi depositati nelle banche dati di sequenze pubbliche dal 1987 al 2013

Dati DDBJ

(105)

L’individuazione degli eventi di duplicazione all’interno di un genoma è un processo complesso e composto da numerosi passaggi. Il primo passaggio serve ad individuare le porzioni ripetute all’interno del genoma. Questa fase è molto delicata poichè l’errata individuazione di queste regioni influenzerà in modo negativo tutte le analisi a valle. Infatti sono questi blocchi ripetuti in un genoma che vengono poi studiati e comparati con i blocchi presenti in altri genomi. L’individuazione di queste porzioni ripetute all’interno dei genomi avviene attraverso il confronto delle sequenze nucleotidiche (o proteiche) sulla base di algoritmi matematici che consentono di computare quali stringhe possono essere uguali per effetto del caso e quali lo sono perchè derivanti da un evento di duplicazione.

7 cromosomi

Cariotipo Paleoesaploide Ancestrale (B)

21 cromosomi

Cariotipo Eudicotiledone

Ancestrale (A)

Cariotipo Vite Moderna

(C)

19 cromosomi

Triplicazione completa del genoma

Riarrangiamenti Cromosomici

L’interpretazione dei risultati ottenuti è una sfida poiché non ci sono reperti che possano sostanziare le conclusioni che quindi devono essere sostenute da una solida base statistica. Qui di fianco è riportato, in modo semplificato, il risultato di questo tipo di studio sul genoma della vite che ha consentito di individuare il cariotipo del progenitore ancestrale comune a tutte le eudicotiledoni che era composto da 7 cromosomi (A). All’interno del genoma vengono individuati dei blocchi di geni conservati (rettangoli colorati, C). La spiegazione per questo tipo di frammentazione è data da un riarrangiamento cromosomico avvenuto a seguito della triplicazione del genoma del progenitore ancestrale delle eudicotiledoni. Questo processo è avvenuto circa 130-150 milioni di anni. Dal confronto fra differenti genomi si può capire se un determinato evento di duplicazione è avvenuto in un antenato comune oppure è caratteristico di un evento di speciazione lineage-specifico. Un esempio chiaro ci viene fornito dal confronto fra il genoma di pesco e quello della vite e poi fra pesco e pioppo. Le due immagini seguenti, dette circos, mostrano in modo schematico i rapporti fra le regioni ripetute in specie diverse; in particolare i frammenti disposti in cerchio sono i cromosomi di pesco (Prunus persica, pp), di vite (Vitis vinifera, vv) e di pioppo (Populus trichocarpa, pt).

Adattato da Jaillon et al (2007) Nature

In questa immagine si può vedere come ad ogni segmento del genoma di pesco corrispondano invece due regioni del genoma di pioppo. Questo risultato evidenzia che le due specie hanno subito un destino diverso in particolare il pioppo ha subito una nuova ondata di duplicazione completa del genoma.

Verde et al (2013) Nature Genetics

In questa immagine si può vedere come ad ogni segmento del genoma di pesco corrisponda una sola regione del genoma di vite. Questo risultato ci dice che le due specie condividono un antenato comune e che non hanno avuto altri eventi di duplicazione dopo quello avvenuto nel progenitore ancestrale comune a tutte le eudicotiledoni

Verde et al (2013) Nature Genetics

377 Milioni di anni: Durante il Devoniano superiore si verificò un'estinzione di massa, chiamata evento Kellwasser che interessò una percentuale stimata in circa l'82% delle specie viventi, le estinzioni si svilupparono durante un periodo di circa 3 milioni di anni.

251 Milioni di anni: l'estinzione di massa più catastrofica di tutti i tempi. Al limite Permiano-Triassico circa il 96% delle specie animali marine si estinse e complessivamente scomparve il 50% delle famiglie animali esistenti.

203 milioni di anni: Al termine del Triassico, la temperatura salì di circa 5 gradi Celsius e si estinse circa il 76% delle specie viventi, tra le quali la quasi totalità dei terapsidi e molti anfibi primitivi, e l'84% dei bivalvi.

66 milioni di anni: Al limite Cretaceo-Terziario è stimata l'estinzione di circa il 76% di tutte le specie viventi, compresi i dinosauri. Sorprendentemente analisi geochimiche indicano che la produttività biologica marina riprese in breve tempo e i livelli di ossigeno atmosferico si normalizzarono probabilmente in meno di un secolo

Il primo evento di Duplicazione Completa del Genoma è avvenuto circa

300 milioni di anni fa e coincide con la comparse

delle piante da seme

Il secondo evento di Duplicazione Completa del Genoma è avvenuto circa

200 milioni di anni fa e coincide con la comparse

delle piante da fiore

Monocotiledoni: Un prima WGD, dopo la separazione dalle eudicotiledoni avvenuta circa 50-70 milioni di anni fa, ha portato alla duplicazione di un genoma a 5 protocromosomi originando un antenato a 12 cromosomi. Questo assetto è mantenuto in riso mentre riarrangiamenti hanno portato a 7 cromosomi nelle triticeae (grano, ecc.). Successivi cicli di duplicazione e riarrangiamenti cromosomici hanno interessato il mais. Distinti eventi di duplicazione hanno coinvolto il genere Triticum.

Eudicotiledoni: Gamma esaplodizzazione, circa 130 milioni di anni, di un antenato delle eudicot con 7 cromosomi che ha dato origine a un esaploide di 21, evidenziata per la prima volta in vite. Successivi eventi di duplicazione lineage-specifici, avvenuti 50-70 milioni di anni fa, hanno interessato molte specie vegetali le brassicacee (Arabidopsis, 2), pioppo (1), le fabacee (soia, 1), il melo (1), il pioppo (1) e le solanacee (pomodoro, 1).

E’ interessante notare come le grandi estinzioni di massa precedano gli eventi di duplicazione del genoma. Probabilmente la poliploidia ha permesso agli organismi di adattarsi ai drastici

cambiamenti ambientali più velocemente grazie ad un aumentato numero di geni che, come la creta nelle mani di un vasaio , potevano assumere nuove funzioni conferendo alle piante nuove

caratteristiche essenziali per la loro sopravvivenza.

La Rivoluzione Neolitica: In un intervallo di circa 9000 anni (12.000-3.000 AC) l’uomo passa da raccoglitore-cacciatore ad agricoltore. Questo passaggio avviene indipendentemente in dozzine di luoghi nel mondo. Ad oggi è stato stimato che circa 2.500 specie sono state sottoposte al processo della domesticazione inteso come le modificazioni genetiche di una specie selvatica che portano alla creazione di una nuova specie che risponde ai bisogni dell’uomo. La domesticazione è un processo dinamico in continua evoluzione che può richiedere millenni o centinaia di anni a seconda della specie e delle condizioni ambientali e culturali.

SIT!!!

La domesticazione è un processo che spesso avviene contro la selezione naturale, infatti le caratteristiche ricercate dal

consumatore vanno contro il successo della piante in un ambiente naturale. Le piante domesticate hanno una Fitness (successo riproduttivo di una specie) ridotta e in alcuni casi non sono in

grado di sopravvivere in un ambiente naturale.

Si riscontra anche una diminuzione totale e generalizzata della variabilità genetica dovuta alla drastica diminuzione del numero di individui selezionati (effetto detto Collo di Bottiglia). In questa immagine è riportata la diversità genetica (ottenuta dal confronto fra sequenze) nei progenitori selvatici, negli intermedi domesticati e nelle varietà commerciali di Girasole

La Sindrome della domesticazione: L’insieme dei caratteri che determinano le differenze fra una coltura e il suo progenitore selvatico. Può includere diverse combinazioni di tratti come la ritenzione del seme alla maturità del frutto, l’aumento delle dimensioni del frutto, cambiamento del sistema riproduttivo, modifiche della struttura della pianta e della composizione dei metaboliti secondari (composti spesso collegati con il sapore e il colore).

Dimensione del Frutto

Adattata da: Chapman MA (2013) PLoS ONE

Div

ers

ità

Ge

net

ica

selvatico domesticato coltivato

Geni Neutrali

Geni Domesticazione

In questa immagine è riportato il risultato di un’analisi genomica effettuata confrontando i polimorfismi di sequenza ottenuti dal risequenziamento di circa 40 cultivar di pesco. Le barre colorate corrispondono agli 8 cromosomi di pesco. In verde chiaro sono riportate numericamente le differenze nella sequenza rispetto al genoma di riferimento. Sono evidenti delle regioni molto polimorfiche (dette ipervariabili) all’inizio del cromosoma 2 e alla fine del cromosoma 4. Mentre un segno della domesticazione è visibile all’inizio del cromosoma 4 in cui una drastica riduzione della variabilità coincide con i geni responsabili della dimensione del frutto. Un frutto di pezzatura grande è uno dei tipici tratti coinvolti nella sindrome della domesticazione. Questo carattere va contro l'efficienza riproduttiva della specie poiché la pianta deve utilizzare molte energie per far aumentare la parte edibile del frutto senza però aumentare il numero dei semi in esso contenuti e quindi senza aumentare le possibilità di sopravvivenza della specie

I segni della domesticazione rimangono all’interno del genoma delle specie moderne. Dal confronto con i rispettivi progenitori ancestrali o anche dall’analisi singola del genoma di una specie coltivata si possono identificare i selective sweep (spazzate selettive). Infatti il primo effetto della domesticazione è la perdita della variabilità genetica causata dalla selezione per determinati caratteri o tratti (per esempio forma del frutto) che portano alla fissazione di blocchi cromosomici più o meno grandi.

Promotore Regione Codificante

Teosinte Mais

Div

ers

ità

Ge

net

ica

ATG

Adattato da Wang et al (1999) Nature

Adattato da Verde et al (2013) Nature Genetics

Il tempo della domesticazione è fortemente influenzato dal ciclo vitale della pianta, dalla diffusione dell’uomo, dal clima presente nel centro di origine e dalle pratiche religiose e culturali. L’analisi degli eventi di domesticazione avvenuti nei passati 10.000 anni hanno evidenziato andamenti differenti correlabili con tutti questi fattori. Gli eventi di domesticazione delle piante annuali mostrano due picchi uno 8.000 e uno 4.000 anni fa’ (frecce azzurre). Questo andamento riflette il primato delle piante annuali come il riso, l’orzo e il grano nella domesticazione e ha portato al raggiungimento delle caratteristiche più favorevoli all’uomo. Per ciò che riguarda le piante biennali (ad es. cavolfiore, carota, cipolla, ecc.) la domesticazione sembra essere iniziata più tardi forse circa 6.000 anni fa (frecce viola), a causa della maggiori conoscenze necessarie per la loro gestione. Infatti era fondamentale uno stile di vita sedentario poiché le piante necessitavano di due anni prima di dare i loro frutti. Inoltre si evidenzia una correlazione statistica significativa con il clima della regione circumboreale che con la sua alternanza delle stagioni favoriva il processo di vernalizzazione (richiesta di freddo da parte di alcune specie). Anche il bacino del mediterraneo è positivamente correlato con gli eventi di domesticazione (fra 3.000 e 1.000 anni fa, frecce viola) delle piante biennali in concomitanza della comparsa di alcune grandi civiltà (l’Antico Egitto, l’Antica Grecia e l’Impero Romano).

010002000300040005000600070008000900010000

Adattato da Meyer et al. (2012) New Phytologist

Annuali Perenni non arboree Arboree Biennali

La domesticazione delle piante arboree è avvenuta millenni dopo quella delle piante annuali. Si possono osservare due eventi di forte domesticazione il primo intorno a 4.000 anni fa con molta probabilità coincide con la scoperta delle tecniche di propagazione vegetativa (talea), mentre il secondo (2.000 anni fa, frecce rosse) coincide con la diffusione della tecniche di innesto. Bisogna inoltre notare che la sindrome di domesticazione delle specie arboree è meno accentuata rispetto alle piante non perenni e la domesticazione di queste ha tempi molto più lunghi.

Localizzazione dei maggiori centri di origine delle piante coltivate

Zucchina 5.000 A.C. Girasole 4.000 A.C.

Zucchina 10.000 A.C. Mais 9.000-7.000 A.C.

Fagiolo 4.000 A.C.

Adattato da Doebley et al. (2006) Cell

Riso Africano 2.000 A.C. Miglio 3.000 A.C. Sorgo 4.000 A.C.

Cotone 5.000 A.C. Patata Dolce 4.500 A.C.

Maranta 8.000 A.C.

Patata 7.000 A.C. Quinoa 5.000 A.C.

Arachidi ? Manioca 8.000 A.C. Peperoncino 6.000 A.C.

Banana 7.000 A.C. Taro 7.000 A.C.

Riso 8.000 A.C. Foxnut 7.000 A.C. Olivo 4.000 A.C

Vite 6.000-4.000 A.C Grani 10.000 A.C. Orzo 10.000 A.C.

Sorgo 8.000 A.C. Miglio 10.000 A.C. Pesco 4.000 A.C.

Rapportando la vita della terra alle 24 ore di un giorno è interessante notare che l’uomo in soli 25 centesimi di secondo (12.000 anni) ha cambiato profondamente l’aspetto delle piante

e degli animali avviando un processo dinamico ancora oggi in corso

Alleli: forme alternative di un gene responsabili delle differenti manifestazioni di un carattere (fiori viola o

fiori bianchi)

Geni: segmenti di DNA che controllano i caratteri

ereditari cioè trasmessi da una generazione alla

successiva (colore del fiore)

Coppia di cromosomi

omologhi

1866 Leggi di Mendel

Legge della segregazione: ogni individuo possiede per un gene due alleli, uno paterno e uno materno. Quando si formano i gameti, gli alleli si dividono ed ogni gamete ne possiede uno.

Legge della dominanza: gli individui nati dall'incrocio tra due individui omozigoti che differiscono per una coppia allelica, avranno il fenotipo dato dall'allele dominante.

Legge dell'assortimento indipendente : gli alleli posizionati su cromosomi non omologhi si distribuiscono in modo casuale nei gameti.

Nazareno Strampelli e la «prima» rivoluzione Verde: una storia di incroci e selezioni Le leggi di Mendel furono pressoché ignorate per 40 anni, solo all’inizio del ‘900 vennero riscoperte e utilizzate portando al miglioramento genetico. Pioniere di questo approccio scientifico fu Nazareno Strampelli (1866-1942) che diede vita a decine di nuove varietà di grano dette «sementi elette» (circa 80 varietà). Egli basò tutto il suo lavoro su incrocio e selezione formulando il principio, ancora oggi valido, che per ottenere il meglio bisogna incrociare il meglio. Le nuove varietà da lui costituite in 30 anni (1914-1942) a partire da circa 800 incroci portarono ad un aumento della produttività che passò da 9,5 q/ha a circa 14,6 q/ha. La maggiore produttività venne raggiunta agendo principalmente su 3 caratteri :

resistenza alla ruggine bruna, riduzione dell'altezza relativa delle spighe (per evitare l’allettamento) la precocità di maturazione del seme per contrastare il fenomeno della «stretta» (mancato riempimento del seme).

Il medesimo andamento lo si osserva a livello globale grazie alla «Rivoluzione Verde», promossa dalle ricerche di Borlaug negli anni ’60,

che ha consentito di sfamare la popolazione mondiale cresciuta in maniera esponenziale. La superficie agricola mondiale è rimasta

pressoché invariata

L’adozione dei metodi rigorosi e consapevoli di Strampelli ha consentito, nell’ultimo secolo, di quadruplicare la produzione di frumento in Italia mantenendo, se non addirittura diminuendo, la superficie di terreno coltivato.

X P1 P2

F1 F1

F2

Popolazioni segreganti: incrocio controllato fra due parentali (genitori, P1 e P2) con fenotipo contrastante (Fiore Viola, Fiore Bianco). Questo tipo di popolazione viene chiamato F1. Quando un individuo della F1 viene auto fecondato la progenie viene detta F2.

X P1 P2

Fenotipo: manifestazione fisica del genotipo

influenzata dall’interazione con altri geni e/o con l’ambiente

(Fiore Viola, Fiore Bianco)

Genotipo: combinazione degli alleli di uno o più

geni in un individuo

Fonte ISTAT

Fonte FAOSTAT

Mullis inventa la Reazione a Catena della Polimerasi (PCR). Questa tecnica permette di amplificare un dato frammento di DNA in modo esponenziale a partire da una piccola sequenza innesco (Primer)

Watson and Crick scoprono la struttura DNA

Marcatori Molecolari (MM): frammenti o sequenze di DNA ereditabili secondo le Leggi di Mendel in grado di evidenziare differenze tra individui in una specifica regione del genoma.

Il DNA ha la caratteristica di formare dei duplex cioè di appaiarsi perfettamente a

partire da singoli filamenti. Ci sono degli enzimi capaci di

riconoscere determinate sequenze e di tagliare il DNA in

quel punto Bostein sviluppa i primi

marcatori molecolari (RFLP) che utilizzano queste proprietà.

Williams usando dei primer casuali, i RAPD, inventa i primi MM basati sulla PCR

1984

1953

1980

1990

1977

Sanger mette a punto la tecnica di sequenziamento del DNA

1993 Compaiono nelle piante i primi microsatelliti MM basati sulle sequenze ripetute

2014

1996

Nascono le Next Generation Sequencing (NGS) tecnologia che consentono di sequenziare milioni di basi contemporaneamente e a costi sempre più ridotti

Ad oggi sono stati sviluppati milioni di marcatori molecolari

e sono state messe a punto tecniche che consentono l’analisi

contemporanea di migliaia di questi (CHIP). La bioinformatica

ha sviluppato potenti saggi statistici per l’analisi di questa

enorme mole di dati Karlin e Altschul idearono un algoritmo in grado di definire la probabilità che l’indice di similarità sia dovuto al caso piuttosto che alla reale uguaglianza di due sequenze. Nasce la Bioinformatica

MIGLIORAMENTO GENETICO ASSISTITO DA MARCATORI:

MIGLIORAMENTO GENETICO ASSISTITO DA MARCATORI (MAS) L’unione fra gli studi di segregazione iniziati da Mendel e l’esplosione delle tecniche di ricombinazione del DNA hanno consentito di sviluppare un nuovo modo di migliorare geneticamente le specie coltivate. I passaggi principali del miglioramento genetico assistito dai marcatori sono:

Incrocio di due genitori dalle caratteristiche interessanti (per esempio resistenza a malattie x frutto di alta qualità) Analisi della progenie con i MM e valutazione dei fenotipi e costruzione di una mappa genetica Identificazione di un marcatore associato (co-localizzato o vicino) con i caratteri fenotipici di interesse Selezione precoce (con l’ausilio di MM) dei genotipi che portano le caratteristiche ricercate (nuovo individuo che sia resistente alle malattie e con un frutto di elevata qualità) con un notevole risparmio in termini di tempo, di costo e di spazio

MAS carattere pesco/nettarina Cromosoma 5 di Pesco

MM

Fenotipo Pesco/Nettarina

(1) Il carattere pesco/nettarina è monogenico; le nettarine (pesche glabre) sono sempre omozigoti cioè hanno alleli identici, mentre le pesche (pubescenti) possono essere omozigoti o eterozigoti. Se incrociamo una pianta di pesco con frutti glabri per una con frutti pubescenti affidandoci soltanto al fenotipo possiamo avere una delle due situazioni : (A) piante figlie tutte pesche, (B) piante figlie per metà pesche e per metà nettarine. Il fenotipo della progenie lo possiamo valutare soltanto dopo 2-3 anni dall’incrocio. Conoscendo il marcatore (indelG) associato al carattere siamo in grado di distinguere le pesche omozigoti (A) da quelle eterozigoti (B). (2) Possiamo quindi, a seconda dei nostri obbiettivi, analizzare i parentali prima dell’incrocio e selezionare dopo pochi mesi dall’incrocio le piante figlie (usando porzioni di tessuto fogliare) senza dover attendere i frutti.

X

A Nettarina (Recessivo)

Pesco (Dominante)

X

B

MAPPE GENETICHE Assegnazione ad ogni cromosoma di un individuo o di un particolare fenotipo o di specifici frammenti DNA evidenziati tramite l’uso di marcatori molecolari. Le combinazioni alleliche all’interno di una popolazione segregante consentono di individuare i fenomeni di ricombinazione genica. Se due frammenti sono vicini la ricombinazione sarà nulla, se sono molto lontani per la III legge di Mendel la loro ricombinazione sarà indipendente.

1990

Adattata da: Vendramin et al.(2014) PLoS ONE

Nettarina (Recessivo)

Pesco (Dominante)

.

Golden Rice

Riso

Nel 2000 due ricercatori il Dr. Ingo Potrykus ed il Dr. Peter Beyer pubblicarono l’ottenimento di un riso che sintetizzava β-carotene (precursore della vitamina A). Questo risultato era stato ottenuto dall’ingegnerizzazione del riso nel cui genoma sono stati inseriti due geni chiave della via di biosintesi del β -carotene provenienti dal narciso e da un batterio del suolo. E’ stato dimostrato che l’assunzione di 150 gr di «Golden Rice» soddisfano il fabbisogno giornaliero di Vitamina A. La percezione negativa dell’opinione pubblica ha impedito ed impedisce che questo tipo di riso possa essere coltivato.

Il contenuto genico delle piante è compreso fra 25.000 e 60.000 geni. Attraverso la tecnica di incrocio e selezione si agisce su tutto il genoma della pianta riassortendo comunque un numero non valutabile di geni, anche se il nostro obbiettivo è quello di modificare solo pochi caratteri. Per esempio se incrociamo specie coltivate (cultivar di élite) con i relativi selvatici (generalmente portatori di resistenze alle malattie) si è costretti a più cicli di re-incrocio e selezione per eliminare i geni selvatici che riducono la qualità del genotipo di partenza (dimensione del frutto, sapore o produttività). Esistono tecniche biotecnologiche più fini che ci consentono di agire solo sui caratteri desiderati senza influenzare tutto il genoma della pianta. Con il termine Piante Geneticamente Modificate si intendono piante all’interno delle quali sono stati inseriti dei geni (appartenenti alla stessa specie o a specie differenti) senza passare da incrocio.

PIANTE GENETICAMENTE MODIFICATE (PGM)

L’inserimento di un gene esogeno all’interno di una pianta è possibile in due modi: Attraverso l’Agrobacterium tumefacens che infettando la pianta inserisce all’interno del genoma frammenti di DNA generalmente utili alla sua moltiplicazione. Ceppi ingegnerizzati di questo batterio consentono di inserire geni di interesse. Le piante vengono letteralmente bombardate con particelle d’oro ricoperte dai geni che intendiamo inserire.

Queste operazioni avvengo su colture di tessuti vegetali indifferenziate dalle quali viene poi fatta sviluppare una pianta fornendo i giusti segnali ormonali (in vitro).

Anche se può sembrare provocatorio la conservazione delle nostre tipicità potrebbe passare attraverso gli organismi geneticamente modificati. L’inserimento di 1 o 2 geni che conferiscono resistenza a patogeni non altererebbe in alcun modo le qualità organolettiche di produzioni legate al territorio. Un esempio fra tutti è il pomodoro San Marzano, una delle varietà tipiche del nostro paese insignito anche della DOP. Fino a pochi anni fa la sua coltivazione copriva il 35% del mercato nazionale, oggi è scesa al 3% poiché questa varietà è altamente suscettibile al Virus del Mosaico del Cetriolo (VMC). Non esistono trattamenti chimici per le virosi, ma il gene che conferisce resistenza è stato inserito nel genoma del pomodoro ottenendo dei risultati incredibili. In Italia, per legge, non è possibile coltivare piante GM e quindi fra qualche anno potremmo non sentire più parlare di questa eccellenza alimentare italiana che è stato il San Marzano.

Campo Colpito VMC

Campo Sano

Frutto Colpito VMC

Frutto Sano

Adattato da Gasser & Fraley (1992) Transgenic Crop

Uno dei problemi più importanti di malnutrizione è la mancanza dei micronutrienti (vitamine, minerali e aminoacidi). Una delle carenze da vitamine più severe è quella della vitamina A che affligge circa 124 milioni di persone e porta alla morte di circa due milioni all’anno. Principalmente sono colpiti i bambini che dapprima diventano ciechi e poi muoiono nel giro di un anno. La popolazione maggiormente colpita è quella che vive in povertà nutrendosi solo di piccole razioni di riso senza avere accesso a frutta e verdura. Dati WHO

Le potenzialità di questa tecnica sono enormi ma intorno alle PGM esiste un forte dibattito nazionale ed internazionale che investe ampie problematiche economiche e sociali. Senza entrare nel merito del dibattito si evidenzia comunque che la stragrande maggioranza della comunità scientifica giudica non esistente un rischio GM, mentre l’opinione pubblica associa alla tecnica alti rischi per l’ambiente e per la salute umana. In più di un decennio di studi sulle piante GM a oggi in commercio non sono stati dimostrati effetti negativi per la salute umana e per l’ambiente. E’ sbagliato demonizzare una tecnica in quanto tale, ogni caso deve essere valutato indipendentemente considerandone i costi e i benefici in ogni ambiente sia sociale che naturale. Esistono esempi assolutamente promettenti dell’applicazione di queste metodiche, uno fra tutti è il Golden Rice.

Ecco due immagini che ci servono per ricordare le enormi differenze fra il tempo della natura ed il tempo dell’uomo. L’uomo è comparso sulla terra negli ultimi 4 secondi ed in questo lasso di tempo

ha modificato profondamente il pianeta. Le nostre conoscenze attuali ci permettono di comprendere i fenomeni biologici sui quali abbiamo

inconsciamente agito durante la domesticazione e di operare oggi in maniera responsabile nel tentativo di sfamare un pianeta che cresce rispettando e conservando l’ambiente con particolare

attenzione al mantenimento e alla valorizzazione della biodiversità animale e vegetale.

IL TEMPO DELLA NATURA

IL TEMPO DELL’UOMO