69174 - ELEMENTI DI GENETICA AGRARIA E MIGLIORAMENTO GENETICO

Conoscenze e abilità da conseguire

Lo studente al termine dell'insegnamento conosce le basi della genetica mendeliana, quantitativa e di popolazione, nonché delle principali applicazioni biotecnologiche. Lo studente conosce inoltre i più importanti metodi di selezione per qualità e quantità della produzione ed è in grado di cogliere gli aspetti genetici di maggiore rilevanza economica e gestionale volti a promuovere un esercizio agricolo corretto e la fruizione sostenibile dei prodotti.

Contenuti

Prerequisiti

Lo studente che accede a questo insegnamento deve possedere una buona conoscenza di fondamenti di matematica, chimica e biologia vegetale, nonché una conoscenza dei fondamenti di analisi statistica (campione, media, varianza e deviazione standard). Questi prerequisiti sono forniti dagli insegnamenti di base erogati durante il primo anno di corso.

Contenuti dell'unità didattica teorica (36 ore)

1) Cicli di sviluppo degli organismi animali e vegetali. Struttura dell'apparato riproduttivo delle piante. Mitosi e meiosi. Il materiale genetico nella cellula vegetale. (1 ore).

Si illustrano gli aspetti di biologia vegetale e cellulare fondamentali e necessari per la piena comprensione della genetica delle piante di interesse agrario.

2) Leggi di Mendel: dominanza e recessività, alleli e geni, segregazione, assortimento dei caratteri e dei geni. Test del chi2. Estensioni delle leggi di Mendel: alleli multipli, dominanza incompleta e codominanza, interazione genica (epistasi), pleiotropia. (2 ore).

Sono illustrate i fondamenti delle leggi che regolano la trasmissione dei caratteri ereditari in tutti gli organismi ed il principale test statistico utilizzato per la verifica sperimentale di queste leggi nei materiali sperimentali.

3) La teoria cromosomica dell'eredità. Cromosomi sessuali. Il cariotipo. Sistemi sessuali nelle piante, monoicismo e dioicismo. Determinazione del sesso in piante di interesse agrario. Sistemi di incompatibilità dell' incrocio nelle piante (4 ore).

Si illustra la relazione materiale genetico - cromosomi, con particolare riferimento ad esempi legati al controllo genetico della determinazione del sesso nelle specie vegetali di interesse agrario.

4) Concatenazione genica e frequenza di ricombinazione, centiMorgan, crossing-over, mappa genetica. (4 ore).

Si illustrano le basi teoriche e molecolari del meccanismo di crossing-over e le sue conseguenze per la produzione delle mappe genetiche.

5) Biochimica degli acidi nucleici: modello di Watson e Crick, replicazione del DNA, trascrizione e maturazione dell'RNA, traduzione e sintesi proteica. Codice genetico. Struttura del gene. Regolazione dell'espressione genica e operone del lattosio. Dogma centrale della biologia molecolare. (2 ore).

Si illustrano la struttura chimica ed i principali aspetti biochimico-funzionali degli acidi nucleici alla base dell'espressione dei caratteri fenotipici. Questa lezione ha anche l'obiettivo di fornire le basi per la comprensione dei progressi delle biotecnologie nel campo del miglioramento genetico delle piante.

6) Genetica dei caratteri quantitativi: esperimento di Johannsen, linee pure, variazione per cause ambientali e genetiche, ereditabilità. Esperimenti di Nilsson-Ehle e East. Ipotesi multifattoriale ed ereditabilità. (2 ore).

Vengono fornite le basi teoriche per la comprensione delle leggi dell'ereditarietà applicate ai caratteri quantitativi (o metrici), i principali caratteri di interesse per il miglioramento genetico delle colture agrarie.

7) Mutazioni: geniche, cromosomiche, genomiche (poliploidia e aneuploidia). Elementi trasponibili. Mutagenesi. Origine e genetica dei frumenti coltivati. (1 ora).

Si illustrano i fattori ed i meccanismi genetici attraverso i quali il materiale ereditario si modifica, ponendo le basi dell'evoluzione e del miglioramento genetico.

8) Cenni di genetica di popolazione e legge di Hardy-Weinberg. Forze evolutive e speciazione. Inbreeding ed eterosi. (4 ore).

Si illustrano le basi genetico-statistiche che regolano la modifica nel tempo delle frequenze alleliche nelle popolazioni, con riferimento al processo selettivo nel miglioramento genetico, ed all'adattamento ed alla speciazione nelle popolazioni naturali. Si introduce il concetto di eterosi ed inbreeding, con esempi di sfruttamento dell'eterosi nel miglioramento genetico delle specie agrarie.

9) Cenni di ingegneria genetica: tecnologie (metodo dell'agrobatterio e biolistico), tipi di eventi principali. Diffusione nel mondo delle colture agrarie GM. (4 ore).

Si introducono i principali aspetti tecnici e metodologici connessi con la produzione di piante e organismi geneticamente modificati (OGM), e si illustrano i principali esempi.

10) Genomica e marcatori genetici: classi, caratteristiche e principali applicazioni. Introduzione alla selezione assistita da marcatori molecolari (MAS). (4 ore).

Si introduce il concetto di genomica e di utilizzo degli strumenti di genomica (in particolare, dei marcatori molecolari) nello studio della genetica delle piante.

11) Cenni di miglioramento genetico delle colture agrarie. Struttura genetica delle specie coltivate. Origine delle piante coltivate e domesticazione (4 ore).

Si offrono cenni sulla disciplina del miglioramento genetico delle piante e si illustrano le origini genetiche e storiche delle principali colture agrarie.

12) Casi studio: contributi rilevanti della genetica al miglioramento delle principali colture agrarie in Italia e nel mondo (4 ore)

Si analizzano casi specifici di contributi fondamentali della genetica al miglioramento delle colture agrarie in termini di produttività, di resistenza alle malattie, agli stress abiotici, al miglioramento per aspetti qualitativi, etc.

 

Contenuti delle due unità didattiche di esercitazioni (16 ore + 8 ore)

 

Unità didattica di esercitazione n. 1 (16 ore) - Raccolta di dati fenotipici e risoluzione di problemi di genetica Mendeliana e genetica quantitativa

Vengono presentati, affrontati e risolti in aula alcuni problemi di genetica Mendeliana, di genetica quantitativa e/o di genetica di popolazione, con valutazione delle varie ipotesi tramite applicazione di test statistici (es. chi2), e formulazione finale di una ipotesi sul controllo genetico alla base del processo illustrato dal problema. Per quanto riguarda la parte di attività sulla genetica dei caratteri quantitativi, gli studenti sono accompagnati dal docente presso il campo catalogo/sperimentale ubicato presso il Dipartimento (in viale Fanin), dove svolgono un'esperienza di raccolta di osservazioni e misurazioni per caratteri di piante (es. altezza, portamento della pianta, ecc), in parcelle preventivamente predisposte dal docente, al fine di valutare le componenti genetiche ed ambientali della variazione fenotipica tra piante.

Al termine del u.d. di esercitazione n. 1 lo studente avrà fatto diretta esperienza dell’applicazione dei test statistici (Chi2, t-student) comunemente usati per risolvere problemi di genetica Mendeliana nel controllo genetico di caratteri semplici in animali e piante, sa approcciarsi all’analisi della variabilità dei caratteri quantitativi nelle piante, ha svolto esperienza nella valutazione degli effetti di geni ed ambiente sulla determinazione di caratteri di interesse agronomico nelle piante.

Unità didattica di esercitazione n. 2 (8 ore) - Approfondimenti di genetica molecolare e genomica delle piante

In questa u.d. saranno svolto un approfondimento, dal punto di vista tecnico-pratico, di aspetti applicativi di ingegneria genetica e genomica in piante di interesse agrario, precedentemente trattati nelle lezioni frontali. L’approfondimento sarà svolto anche tramite visite nei laboratori di ricerca di genomica delle piante del DipSA, e tramite attività seminariale svolta da ricercatori di enti pubblici e privati, esperti nel settore, ed invitati dal docente. Le tecniche ed i sistemi illustrati includono la PCR (Polymerase Chain Reaction) nella diagnostica e nella selezione assistita da marcatori (MAS), e la trasformazione genetica tramite metodo biolistico.

Al termine dell’ u.d. di esercitazione n. 2 lo studente avrà acquisito familiarità con alcune delle principali tecniche di corrente utilizzo nel campo della diagnostica basata sul DNA (PCR), della produzione di OGM, e delle applicazioni di miglioramento genetico nel settore sementiero e vivaistico delle stesse.

Testi/Bibliografia

Russell PJ et al GENETICA AGRARIA. EdiSES, 2016.

Notare: nessun libro è perfetto e perfettamente allineato ai contenuti del corso, per cui è fondamentale la partecipazione alle lezioni. Il docente rende disponibili le diapositive illustrate a lezione, che però non sono sufficienti per una preparazione adeguata.

Students who wish to make the oral exam in English should contact the professor for obtaining dedicated textbook and informative materials.

Metodi didattici

Il corso è articolato in tre unità didattiche. Nella prima, di lezioni frontali, sono esposti gli aspetti principali della disciplina (genetica delle piante di interesse agrario) come esposta nel programma di cui sopra (36 ore frontali). Le due ulteriori attività didattiche (di 16 e 8 ore, rispettivamente) prevedono attività di esercitazioni pratiche in cui si approfondiscono le modalità di indagine genetica (osservazione e rilevamento di caratteri, conteggio, calcoli di frequenze e altri parametri statistici, produzione di ipotesi e valutazione con test statistici) volte ad illustrare il metodi di lavoro sperimentale, anche per contribuire allo sviluppo nello studente di una capacità di analisi critica dei risultati, basata su criteri scientifici. Nelle esercitazioni sono inoltre comprese visite didattiche nei laboratori di biologia molecolare e di campi sperimentali. Il docente invita in classe ricercatori operanti nei settori del miglioramento genetico pubblico e privato, per attività seminariale ed interazione e discussione con gli studenti.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

L'insegnamento è parte del Corso Integrato ‘27300 BIOLOGIA VEGETALE E GENETICA AGRARIA (C.I.) insieme al seguente insegnamento: 69173 ELEMENTI DI BIOLOGIA VEGETALE. Pertanto la valutazione del corso integrato tiene conto congiuntamente del livello di conoscenze e competenze acquisite dallo studente relativamente ai contenuti dei due suddetti insegnamenti. L'apprendimento dell'insegnamento di Elementi di Genetica Agraria viene verificato mediante un esame scritto. L'esame scritto consiste di un test di 30 domande a risposta chiusa (ovvero, a ciascuna domanda sono associate 3 risposte di cui solo una è quella giusta). Le domande sono relative a tutti gli aspetti di genetica sviluppati sia nell'Unità didattica teorica, sia nelle due unità didattiche di esercitazione. La durata della prova scritta è di 60 minuti.

Strumenti a supporto della didattica

Per l'Unità didattica teorica è previsto l'uso di PC e videoproiettore. Per le Unità didattiche di esercitazioni è prevista l'indagine diretta (osservazioni, conteggi, misurazioni con semplici strumenti) da parte dello studente  su materiali vegetali in campo ed in serra, opportunamente predisposti dal docente.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Silvio Salvi