Biotecnologie Vegetali per Disegnare la Pianta del Futuro

Biotecnologie Vegetali per Disegnare la Pianta del
Futuro
Antonio Michele Stanca
U N A S A- UNIMORE
ROVIGO 19 dicembre 2013
Nazareno Strampelli
Mendel
Norman Borlaug
Neolitico
500 semi/m2
1‐1.5 q/ha
Periodo Romano
Rinasciment
Pre‐Mendel
2.000 semi/m2
4‐5 q/ha
3.000 semi/m2
6‐8 q/ha
Post‐Mendel
1970
Oggi
8.000 semi/m2
25 q/ha
14.000 semi/m2
20.000 semi/m2
90‐100 q/ha
50 q/ha
Towards the molecular basis of heterosis.
Phenotypic manifestation of heterosis
Trends Plant Sci. 2007 Sep;12(9):427‐32
Model of the Breeding progress in the last 100
years
TRAITS
To cope with
Heat shock
Diseases
Lodging
Increasing CO2
Light
Cold
SALT
Soil of
low fertility
WATER
anoxia
drought
IONS
acid
alcaline
Heavy metals
GENETICA
GENOMICA
studia il
Genoma
(l’intero
contenuto di
DNA di una
Cellula)
• identify the POSITION
of genes controlling
useful traits and tag
them with molecular
markers;
• ISOLATE the genes
encoding for useful
traits for further geneimprovement
ACCGTTGGACCATGGATACTAATGG
• The DNA based
knowledge can lead to:
Hv-WRKY38 Genomic Position
Molecular Marker Technology
MAS
Molecular Assisted Selection
MAS=Molecular Assisted Selection
12/06/0828/11/07
ORGANISMI GENETICAMENTE MODIFICATI – OGM
INDIVIDUI CHE SI OTTENGONO MEDIANTE TRASFORMAZIONE
GENETICA E PRECISAMENTE INSERIMENTO NEL GENOMA
DELLA PIANTA TARGET MEDIANTE INGEGNERIA GENETICA DI
UNA SEQUENZA DI DNA-GENE – PROVENIENTE DALLA STESSA
PIANTA O DA ALTRI ORGANISMI FILOGENETICAMENTE VICINI
O COMPLETAMENTE ESTRANEI.
OGM DAL PUNTO DI VISTA LEGALE VIENE DEFINITO COME:
“UN ORGANISMO IL CUI MATERIALE GENETICO E’ STATO
MODIFICATO IN MODO DIVERSO DA QUANTO SI VERIFICA IN
NATURA MEDIANTE INCROCIO O CON LA RICOMBINAZIONE
GENETICA NATURALE”
A) Malattie iperplastiche
Agenti: A. tumefaciens e rhizogenes, P. syringae savastanoi e avellanea
Transfer
Il T-DNA è trasferito
nel genoma della
pianta
Integration
Expression
3'- LB- T-DNA -RB-5'
PLANT
TRANSFORMATION
FUSARIUM spp
LARVA PIRALIDE
P66
Landriano (PV) , Az. Menozzi, settembre 2005 (foto Maggiore)
P67 (Bt)
Bt or non Bt?
5 Stati
14 anni
Riduzione della popolazione di piralide sino
al 70% nei campi convenzionali NON Bt
Hutchison et al. 2010 Science
Oltre i Transgenici
Nature Biotec (marzo 2012)
• L’ingegneria genetica di “prima generazione” ha
permesso di inserire tratti di DNA a random nel genoma
• Cellule vegetali ingegnerizzate per produrre molecole
utili-non OGM• Zinc Finger Nucleasi-ZFN- Inserimento del gene in
modo mirato mediante riconoscimento di siti specifici nel
genoma
• Cisgenesi ( non OGM?) e Intragenesi
• GRAFTING
• Modificazione Epigenetica ( metilazione-silenziamento)
Seralini et al. 2012
Maize NK603
EFSA
Insufficient Scientific Quality
Trenta Anni di PGM
-170 milioni di ettari
-28 Paesi
-11%superficie coltivata mondiale
-90% Mais,Soia,Colza, Cotone
Pochi caratteri Utili!
GAS = Genomic Assisted
Selection
Centrodi Ricerca
per la Genomica
Selezione basata su migliaia/decine di migliaia di tratti di DNA
,
GENOTYPING
PHENOTYPING
Filmato RNA
Genetic hypothesis to explain heterosis
Hemizygous complementation in maize hybrids. Different maize inbred lines are characterized by a considerable loss of genetic colinearity, that is, the loss of particular genes. It is hypothesized that gene loss can be partly compensated in hybrids by hemizygous complementation, which also leads to an improved performance of hybrids versus inbred lines. The colored boxes A to D represent different genes. Different members of gene families are indicated by the same colour (e.g. A1 and A2 belong to a gene family). The loss of a member of a gene family can be partly compensated for by the action of other members of this gene family and leads only to minor phenotypic effects in inbred lines. When a hybrid is selfed over several generations inbreeding depression is observed because not all genes present in the hybrid will be maintained. To date, partial loss of colinearity has only been observed in maize. In other species as well as in maize, additional factors might also contribute to heterosis.
Heterosis‐associated gene expression in maize
Relative gene expression levels in hybrids and regulation of allele‐specific gene expression in hybrids. (a) Gene expression levels in hybrids are not strictly related to the genetic concepts of dominance and overdominance.
(b) Effects of cis‐ and trans‐
regulation on the allelic contribution to gene expression in hybrids.
Molecular mechanisms of polyploidy and hybrid vigor.
A molecular clock model explains the basis of heterosis.
In the hybrids, the allelic interactions between parent 1 (P1) and parent 2 (P2) induce epigenetic repression of CCA1 and LHY expression amplitudes (red dashed line) and upregulation of TOC1 expression amplitudes (green dashed line) relative to the expression values in the parents (solid red and green lines, respectively), whereas the periodicity of the clock remains the same because maintaining clock periodicity and rhythm is important for plant growth and fitness
Trends Plant Sci. 2010 Feb;15(2):57‐71. FACE-Free-Air CO2 Enrichment- is considered the most advanced
technology to investigate experimentally the impact of rising
atmospheric CO2 on terrestrial ecosystems
Effect of elevated CO2
on oat yield and quality traits?
A rings of the FACE facility installed in
Fiorenzuola d’Arda with its control unit
Un genoma è come tante orchestre
PLANT for the Future
NUE e WUE MIRNA
Potenzialità
e Stabilità
25-30000 semi/m2
120-130q/ha
METAGENOMIC
PLANT-soil-microbeinteraction
ROOTS
SYSTEMS BIOLOGY
and Beyond
• Vibrant and Competitive
Research
• More SCIENCE in
AGRICULTURE
• SCIENCE FOR FARMING
Breeding is not Art
Breeding is SCIENCE
Pontecorvo e la Scperta del Neutrino
Giovani Studenti e Professori
DOMANDA:Ma i neutrini cosa portano ai
Kolkhoziani di RYAZAN?
Risposta:Per ora il neutrino non dà nulla ai
Kolkhoziani né a chiunque altro
Modo per affermare che la ricerca spesso non dà
un risultato immediato ai contadini e agli operai
Modo elegante per affermare l’autonomia della
ricerca
SCIENZA e AGRICOLTURA Complementari……………………90.2%
Incompatibili…………………..…….9.8%
Chi SONO?
22 maggio 2009
BREEDING by DESIGN
Integration of
•
•
•
•
•
•
•
GENETICS
Molecular Genetics
Molecular Breeding
Physiology
Food Technology
Bioinformatics and Statistics
Agronomy
SYSTEMS BIOLOGY
Model of the Breeding progress in the last 100
years
Organismo geneticamente modificato
(OGM)
Un organismo il cui materiale genetico è
stato modificato in modo diverso da
quanto si verifica in natura mediante
incrocio o con la ricombinazione genetica
naturale
2005
MORE EFFICIENT
AGRICULTURE
Herbicide tolerance
Insect resistance
2015
2025
HEALTHIER NUTRITION
and QUALITY
Aminoacids, oil, starch
PLANTS AS FACTORIES
Vitamins, long-chained fatty acids,
omega 3 fatty acids, enzymes,
PEST PROTECTION
biopolimers,
Virus, nematode, fungi, insects Pigments, pharmaceuticals, fiber.
STRESS PROTECTION
Cold, drought, salinity
1998
«tradizionale»
COSTANZA
«isogenico Bt»
Lodi, azienda Bianchini-Elias (oggi Assessore all’Agricoltura in Lombardia)
5 ottobre (foto Maggiore)
Ibridi
Resa dt/ha
U%
Fori stocco
n°
14% U
Fori spiga Fori pedunc.
n°
n°
Gallerie
Fusarium
Fumosi-
cm/pianta
spiga %
na
(ppb)
ELGINA
141
23,5
0,8
48
0,06
CECILIA
110
21,3
6,31
P67
159
26,7
0,75
P66
111
21,3
9,54
130,25
23,2
4,35
0,44
0
6100
1,36
1,66
19,92
23
60
0,02
MEDIA
0,15
0,16
0,7
0
6300
3,26
4,7
2,58
1,14
68,53
22,4
29
26
3127
P66
P67
Visione del campo al momento della raccolta dopo aver eliminato il bordo centrale
TRAITS
To cope with
Heat shock
Diseases
Lodging
Increasing CO2
Light
Cold
SALT
Soil of
low fertility
WATER
anoxia
drought
IONS
acid
alcaline
Heavy metals