05546 - GENETICA AGRARIA

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine dell'insegnamento lo studente acquisisce conoscenze sull’eredità dei caratteri Mendeliani e dei caratteri quantitativi, sulle problematiche dell'associazione genica e della costruzione di mappe genetiche, sulle basi molecolari della replicazione dell'informazione genetica e della sua espressione, sulle principali modificazioni del materiale ereditario (mutazioni) e sulle principali problematiche della genetica di popolazione.

Contenuti

A) Prerequisiti formativi

Per questo insegnamento lo studente deve possedere nozioni elementari dei fondamenti della biologia, della matematica e della statistica. Tali conoscenze sono in acquisite nella scuola superiore e negli insegnamenti di base impartiti durante il primo ciclo del primo anno di corso e con i quali questo è coordinato.

B) Unità didattiche

1. Basi molecolari della replicazione dell'informazione genetica e della sua espressione (Totale unità didattica 6 ore frontali)

1.1. L'eredità ed il materiale ereditario.

1.1.1. Composizione e replicazione del DNA.

1.1.2. Analisi del DNA: estrazione, purificazione, elettroforesi, denaturazione, restrizione e ligazione, PCR, sequenziamento.

1.2. Gene e sua espressione: RNA e trascrizione del messaggio Codice genetico e traduzione del messaggio (con elementi di sintesi proteica).

1.3. Regolazione genica e dogma centrale della biologia molecolare.

Conoscenze acquisite nell'unità didattica 1

· Conosce la struttura del materiale genetico e come può essere replicato (DNA) o trascritto (RNA).

· Conosce i principi su cui si basano i metodi per l'utilizzo del DNA a fini diagnostici, forensi o commerciali.

· Conosce i principali aspetti riguardanti la traduzione dell'informazione genetica e le principali modalità di regolazione di tale traduzione.

2. Trasmissione del materiale ereditario: esperimenti di Mendel, associazione genica e mappe genetiche (Totale unità didattica 8 ore frontali) (integrazione con il corso di biologia: la riproduzione e aspetti morfologici-funzionali di mitosi e meiosi; integrazione con il corso di statistica: il test del Chi quadrato).

2.1. Trasmissione del materiale ereditario: riproduzione sessuata e basi della ricombinazione, aspetti genetici di mitosi e meiosi. Omozigosi ed eterozigosi.

2.2. Esperimenti di Mendel: dominanza, segregazione, segregazione indipendente.

2.3. Associazione genica: ricombinazione di geni associati (crossing-over), verifica dell'indipendenza dei caratteri con test statistico Chi quadrato.

2.4. Costruzione di mappe di associazione e uso di marcatori genetici. Test a due punti e test a tre punti.

Conoscenze acquisite nell'unità didattica 2

· Conosce le modalità di trasmissione ereditaria dei caratteri mendeliani.

· Conosce il ruolo della riproduzione sessuata per l'ottenimento di genotipi ricombinanti.

· Conosce le procedure utilizzate per la costruzione di mappe genetiche.

3. Il genoma dinamico: principali modificazioni del materiale ereditario e ingegneria genetica (Totale unità didattica 10 ore frontali)

3.1. Mutazioni cromosomiche e genomiche.

3.2. Importanza dei poliploidi: processi evolutivi tramite la poliploidia nelle piante (approfondimento del caso particolare del genere Triticum).

3.3. Mutazioni geniche e creazione di nuova variabilità.

3.4. Mutagenesi artificiale: agenti mutageni, induzioni di mutazioni e loro uso nel miglioramento genetico.

3.5. Elementi di ingegneria genetica. Trasformazione genetica delle piante con Agrobacterium tumefaciens e con il metodo biolistico.

Conoscenze acquisite nell'unità didattica 3

· Conosce le principali modificazioni del materiale ereditario (mutazioni).

· Conosce le relazioni fra tali modificazioni e la manifestazione di variabilità genetica.

· Conosce gli aspetti generali relativi alla trasformazione genetica delle piante e all'impiego degli organismi geneticamente modificati in agricoltura.

4. Eredità dei caratteri quantitativi (Totale unità didattica 6 ore frontali) (integrazione col corso di statistica: media e varianza).

4.1. Generalità, esperimenti Johannsen, effetto genotipico ed effetto fenotipico, importanza economica dei caratteri quantitativi.

4.2. Analisi delle componenti della media nel caso di determinazione genetica multifattoriale, effetti additivo e di dominanza. Inbreeding ed eterosi.

4.3. Esperimenti di East, componenti della varianza fenotipica, contributo della variabilità ambientale, ereditabilità.

Conoscenze acquisite nell'unità didattica 4

· Conosce le modalità di trasmissione ereditaria dei caratteri quantitativi, con particolare riguardo ai caratteri di interesse agrario.

· Comprende come caratteri di interesse agronomico ed economico siano determinati da effetti genetici multifattoriali.

5. Genetica di popolazioni (Totale unità didattica 6 ore frontali) (integrazione con il corso di statistica: il test del Chi quadrato).

5.1. Legge di Hardy Weimberg, frequenze alleliche e genotipiche, verifica dell'equilibrio con test statistici appropriati (Chi quadrato)

5.2. Fattori dell'equilibrio di una popolazione: mutazioni, migrazione, selezione, unioni non casuali, ampiezza della popolazione (deriva genetica). Effetto di depressione da inbreeding ed eterosi sull'equilibrio.

5.3. Biodiversità intra-specifica ed evoluzione. Studio delle popolazioni per la conservazione del germoplasma e la valorizzazione delle risorse genetiche. Aspetti teorici e gestionali.

Conoscenze acquisite nell'unità didattica 5

· Conosce gli aspetti genetici di popolazioni di individui che si riproducono tramite incrocio.

· Conosci i fattori che determinano variazioni di frequenze alleliche e genotipiche.

· Conosce i principali aspetti genetici alla base della conservazione della biodiversità intra-specifica.

6. Evoluzione e miglioramento genetico

(Totale unità didattica 6 ore frontali)

6.1. Evoluzione e domesticazione delle piante coltivate: storia del miglioramento genetico.

6.2. Miglioramento genetico in piante autogame e allogame. Principali aspetti della gestione dei programmi di miglioramento genetico.

6.3. Genetica nella produzione sementiera e nel commercio delle sementi.

Conoscenze acquisite nell'unità didattica 6

· Conosce i principali aspetti genetici coinvolti nella selezione artificiale.

· Conosce gli aspetti genetici più salienti della commercializzazione delle sementi.

· E' in grado di comprendere l'importanza della biodiversità intraspecifica e i principali aspetti genetico-gestionali della conservazione del germoplasma.

7. Esercitazioni (Totale unità didattica 24 ore)

Le esercitazioni sono da considerarsi parte integrante delle altre unità didattiche. Sono di seguito riportate tutte insieme per esigenze espositive.

1) Attività svolte durante le esercitazioni:

a) dimostrazioni di semplici analisi del DNA,

b) osservazioni e rilievi su materiale vegetale didattico appositamente costituito e allevato,

c) esame di dati rilevati dagli studenti o simulati dal docente e semplice analisi statistica,

d) analisi critica di semplice bibliografia, guidata dal docente ma condotta dallo studente,

e) svolgimento di relazioni e presentazione di brevi seminari.

2) Strumenti utilizzati per le esercitazioni: (integrazione con il campo didattico/dimostrativo del DipSA, per la dimostrazione agli studenti, e con l'azienda agraria sperimentale di Cadriano in cui vengono via via allevati i genitori negli anni precedenti ed effettuati gli incroci controllati, per la costituzione ed il mantenimento del materiale genetico originale).

a) Materiale vegetale: si utilizzano genotipi di mais e frumento opportunamente scelti allo scopo di evidenziare i fenomeni genetici più importanti trattati nel corso. Questi materiali sono del tutto originali e sviluppati negli anni attraverso incroci controllati, prevalentemente a cura del docente.

i) Materiale vegetale allevato nel campo didattico/dimostrativo del DipSA. Le piante vengono illustrate agli studenti e vengono seguite per la durata del corso, analizzate e sacrificate per essere misurate dagli studenti nella verifica dei fenomeni genetici trattati durante il corso (integrazione con l’azienda didattico sperimentale di Cadriano).

ii) Materiale vegetale allevato in precedenza, ed in particolare spighe di mais prodotte a seguito di autofecondazione di ibridi costituiti ad hoc per gli studenti. Tali ibridi risultano dall'incrocio tra linee che differiscono per due coppie di caratteri e vengono pertanto utilizzati per la verifica sperimentale della segregazione indipendente (integrazione con l’azienda didattico sperimentale di Cadriano).

b) Materiale di laboratorio (integrazione con il laboratorio di ricerca di miglioramento genetico e genomica delle piante del DipSA):

i) semplici strumenti per l'analisi molecolare vengono portati in aula e illustrati agli studenti. La dimostrazione viene supportata da personale normalmente operante nel laboratorio di genetica del DipSA.

3) Argomenti delle esercitazioni

a) Esercitazioni Unità 1 (4 ore)

i) Dimostrazione di semplici tecniche di estrazione di DNA e sua analisi. A tal fine strumenti di laboratorio vengono trasportati in aula e illustrati agli studenti nel corso di una semplice dimostrazione. Esercitazione svolta in copresenza con altri ricercatori del gruppo di genetica agraria DipSA (integrazione con il laboratorio di ricerca di miglioramento genetico e genomica delle piante del DipSA).

ii) Dimostrazione di semplici esempi di uso delle analisi del DNA a fini diagnostici, forensi e per la tutela della proprietà intellettuale

b) Esercitazioni Unità 2 (6 ore)

i) Illustrazione della fioritura e dell'impollinazione in piante allevate nel campo didattico (integrazione con il campo didattico/dimostrativo del DipSA).

ii) Applicazioni del test statistico Chi quadrato su materiale genetico di mais costituito ad hoc per lo studio dell'associazione genica. Organizzazione di lavoro in team, formulazione di ipotesi, verifica sperimentale, redazione di una relazione da completarsi fuori dall'orario di lezione. Questa relazione viene considerata fino ad 1 punto in sede di valutazione finale.

iii) Uso di test statistici per l'analisi di dati simulati di segregazione di marcatori genetici. Costruzione di una semplice mappa di associazione.

c) Esercitazioni Unità 3 (2 ore)

i) Possibili applicazioni dell'ingegneria genetica in agricoltura con esame di elementi bibliografici e discussione.

d) Esercitazioni Unità 4 (4 ore)

i) Studio delle conseguenze dell'autofecondazione sulle componenti della media con dati sperimentali rilevati sulle piante di mais allevate nel campo didattico (integrazione con il campo didattico/dimostrativo del DipSA).

ii) Studio delle componenti della varianza fenotipica con dati sperimentali rilevati sulle piante di mais allevate nel campo didattico (integrazione necessaria con il campo didattico/dimostrativo del DipSA).

e) Esercitazioni Unità 5 (0 ore)

Non sono previste esercitazioni

f) Esercitazioni Unità 6 (8 ore)

i) Esame di casi studio di miglioramento genetico, analisi di semplice bibliografia guidata dal docente, proposta anche in lingua inglese. Preparazione di seminari svolti dagli studenti, con presentazione e discussione in aula, in italiano o in inglese a scelta. Il seminario viene considerato fino a 3 punti in sede di valutazione finale)

ii) Visita al laboratorio analisi sementi (LaRAS) del DipSA, secondo disponibilità (integrazione con il laboratorio analisi sementi (LaRAS) del DipSA).

Conoscenze acquisite nell'unità didattica 7

Lo studente:

· Acquisisce familiarità con i risultati di analisi diagnostiche utili a fini forensi o commerciali.

· E' capace di riconoscere nella pratica i principali fenomeni genetici.

· Acquisisce metodo scientifico in ambito genetico per mezzo della verifica statistica dei dati.

· E' capace di acquisire autonomamente nuove informazioni, utilizzando capacità di critica e di verifica delle fonti, in parte in lingua inglese.

· Acquisisce esperienza di lavoro di equipe e di comunicazione in pubblico di elaborati tecnici.

Testi/Bibliografia

F. Lorenzetti, S. Ceccarelli, D. Rosellini, F. Veronesi. Genetica agraria - Genetica e biotecnologie applicate all'agricoltura. Patron,Bologna, 2011.

Approfondimenti:

M. Busconi e altri. Genetica agraria, EdiSES, Napoli, 2016

G. Barcaccia, M. Falcinelli. Genetica e genomica, Vol I genetica vegetale, Liguori Napoli, 2005; G. Barcaccia, M. Falcinelli. Genetica e genomica, Vol II miglioramento genetico, Liguori Napoli, 2005.

Materiale didattico distribuito a lezione o attraverso il sito.

Metodi didattici

L'insegnamento si compone di 36 ore di didattica frontale e 24 ore di esercitazioni.

La didattica frontale è volta ad illustrare la materia ed a stimolare il coinvolgimento degli studenti allo scopo di verificare le conoscenze pregresse, il livello di apprendimento degli argomenti svolti e a promuovere una discussione critica dei temi trattati.

Le esercitazioni si svolgono presso il campo didattico/dimostrativo del DipSA di viale Fanin, presso altre strutture dimostrative del DipSA ed in aula. Le esercitazioni comprendono: dimostrazioni di analisi del DNA, osservazioni e rilievi su materiale vegetale didattico appositamente costituito ed allevato, l'esame di dati rilevati dagli studenti o simulati dal docente e semplice analisi statistica, l'analisi critica di semplice bibliografia (anche in inglese), guidata dal docente ma condotta dallo studente, e lo svolgimento di relazioni e di brevi seminari (anche in inglese). Gli obiettivi delle lezioni pratiche sono molteplici. Si intende far acquisire agli studenti familiarità con i risultati di analisi diagnostiche utili a fini forensi o commerciali; far sviluppare la capacità di riconoscere nella pratica i principali fenomeni genetici e l'acquisizione del metodo scientifico in ambito genetico per mezzo della verifica statistica dei dati. Si intende inoltre stimolare la propensione ad acquisire autonomamente nuove informazioni, utilizzando capacità di critica e di verifica delle fonti, in parte in lingua inglese. Non ultimo obiettivo è quello di promuovere il lavoro di equipe e la comunicazione in pubblico di elaborati tecnici.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

The exam can be taken in English, upon request.

Il colloquio finale mira a verificare il raggiungimento degli obiettivi didattici e le capacità critiche e metodologiche maturate dallo studente.

L'esame orale prevede tre quesiti specifici su:

1) basi dell'informazione genetica, della sua espressione e della genetica mendeliana,

2) principali modificazioni del materiale ereditario e controllo dei caratteri quantitativi,

3) genetica di popolazione e basi del miglioramento genetico.

Ogni quesito consente di ottenere un massimo di 10 punti. Per superare l’esame occorre ottenere almeno 18 punti, e non meno di 5 in ogni quesito. Una prova orale eccellente su questi argomenti può di per sé consentire il superamento dell'esame con il punteggio massimo. La durata della prova orale dura solitamente circa 30 minuti.

Per tutti gli studenti che hanno conseguito un punteggio almeno sufficiente nella prova orale, è possibile inoltre valutare in sede di esame i risultati relativi alle attività pratiche (relazione e seminario), così come specificato nel programma. Questa valutazione (per un massimo di 4 punti) si somma a quella ottenuta nel colloquio.

Strumenti a supporto della didattica

Personal computer e videoproiettore per le attività in aula.

Materiale vegetale originale sviluppato ad hoc presso l'Azienda Agraria sperimentale dell'Università verrà utilizzato nelle attività pratico-applicative

Materiale bibliografico disponibile presso il Sistema Bibliotecario di Ateneo.

Mailing list per comunicazioni docente-studenti, accessibile ai soli studenti del corso, protetta da password distribuita a lezione o richiesta al docente.

Materiale didattico: il materiale didattico presentato a lezione viene messo a disposizione dello studente in formato elettronico tramite internet. L'accesso al materiale è consentito ai soli studenti appartenenti alla mailing list.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Elisabetta Frascaroli