93358 - BIOTECNOLOGIE AGRO-INDUSTRIALI

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso lo studente avrà una solida conoscenza della biologia e della struttura del genoma delle piante, con riferimenti specifici alla natura e diffusione degli elementi mobili, alla poliploidia ed ai genomi del cloroplasto e del mitocondrio. Lo studente sarà inoltre informato sulla natura e potenzialità delle principali tecniche di genomica strutturale e funzionale applicabili alle piante. Lo studente otterrà inoltre conoscenza delle applicazioni genomiche e biotecnologiche per lo studio, la salvaguardia ed l’utilizzo della diversità genetica delle specie di interesse agrario, l’ingegneria genetica per il miglioramento genetico delle piante, con approfondimenti sul rapporto costi-rischi/benefici derivanti dalla coltivazione ed utilizzo di OGM, le applicazioni biotecnologiche per un’agricoltura produttiva e sostenibile, l’utilizzo delle piante come biofabbriche, oltre ad applicazioni di gene/genome editing (CRISPR-CAS) nelle piante. Queste conoscenze forniranno allo studente gli strumenti per i) affrontare in maniera critica la progettazione e lo svolgimento di studi volti all’identificazione di geni di interesse agronomico e/o economico; ii) studiare e gestire la diversità genetica delle colture agrarie; iii) comprendere le basi metodologiche del miglioramento genetico varietale basato su approcci biotecnologici.

Contenuti

Concetti da conoscere in quanto utili per la piena comprensione delle lezioni di entrambi i moduli:

• Genetica classica o Mendeliana.
• Struttura del DNA e dell’RNA, organizzazione della cromatina.
• Componenti significative dei genomi (porzione codificante, contenuto genico di un genoma, struttura dei geni, Elementi trasponibili Elementi regolativi.
• Trascrizione e Traduzione dei geni e loro regolazione.
• Teoria cromosomica di Morgan, mappaggio genetico, tecniche di genetica diretta ed inversa
• Eredità dei fattori quantitativi, poligenica
• Genetica di popolazione.

Modulo 1, Prof. Maccaferri, Genomica applicata

Lezione 1. Introduzione alla Genomica applicata al miglioramento genetico. Definizione di Genomica e Biotecnologie. Miglioramento genetico 4.0 e integrazione di componenti della genomica per rispondere alle domande fondamentali del miglioramento genetico moderno. (Lezione condivisa Salvi e Maccaferri)

Lezione 2. Origine della variabilità genetica nativa

Mutazioni genomiche (auto ed allo-poliploidia), cromosomiche e geniche o puntiformi. Diversità genetica generata alla meiosi e dal crossing over. Diversità genetica generata dalla attività degli elementi trasponibili. lmpatto biologico sulla funzionalità del trascritto e della proteina. Impatto sui tratti qualitativi (mutazioni forti) e quantitativi (mutazioni deboli).

Mutazioni neutrali, deleterie e positive. Selezione naturale (positiva, negativa o purificatrice, diversificatrice). Effetti sulla diversità genetica. Produzione di nuove specie.

Modelli mutazionali. Infinite site e Infinite allele model e ricadute sulla diversità genetica. Variante ancestrale e variante derivato.

Lezione 3. Geni e network di geni per caratteri di interesse agronomico e per l’adattamento. Network di vernalizzazione, fotoperiodo e risposta al freddo e all'azoto. Resistenze alle malattie.

Lezione 4. Analisi dei genomi. Sequenziamento del DNA e dell’RNA. Tecniche short and long read, tecniche parallele e a signola molecola. Assemblaggio dei genomi. Struttura ed evoluzione dei genomi. Annotazione degli elementi funzionali dei genomi (porzione codificante ed elementi trasponibili).

Database genomici e database di espressione. Multi-allineamento di sequenze. BLAST (Basic Local Alignment Search Tool). Concetto di omologia, sintenia e collinearità. Uso di informazioni di specie modello. Genomica traslativa (translational genomics).

Lezione 5. La struttura e l’organizzazione della diversità genetica nativa. Stima della Diversità genetica nelle piante coltivate e concetto di Erosione genetica. Concetto di working collection e core collection. Stima delle relazioni genetiche e filogenetiche tra individui e specie. Stima della struttura di popolazione tramite marcatori molecolari (population structure).

Diversità genetica nei centri di origine. Fattori evolutivi. Domesticazione. Geni fondamentali per la domesticazione. Sindrome di domesticazione. Effetti della domesticazione sulla diversità genetica (Effetto Collo di bottiglia). Struttura genetica delle popolazioni naturali di specie autogame e allogame. Disequilibrio di linkage in specie autogame ed allogame. Relazione tra tasso di ricombinazione, numero di meiosi storiche, e disequilibrio di linkage. Mutazioni singole bi-alleliche ed organizzazione dei varianti a livello genico in aplotipi genici. Aplotipi genomici o “long-range”. Sequenziamento di genomi multipli di una specie (pangenomi) e database aplotipici.

Lezione 6. Approfondimenti sul mappaggio di geni responsabili della variabilità nativa (associazione o GWAS, e analisi QTL)

Lezione 7. Utilizzo delle tecniche molecolari per assistere ed incrementare l’efficienza nelle procedure di pre-breeding e breeding con approfondimenti su Breeding assistito da marcatori molecolari, Reincrocio assistito da marcatori molecolari Selezione genomica (GS) sulla base della predizione genomica del valore di breeding

Modulo 2, Prof. Salvi, Biotecnologie applicate

Lezione 1. Tecniche avanzate per lo studio dell’espressione genica, regolazione e dell’interazione genica. One- e two-hybrid systems, uso di geni reporter, single-cell transcriptomics, spatial trascriptomics. Approcci molecolare per lo studio di processi epigenetici. Basi molecolari dell’eterosi con esempi nelle piante coltivate.

Lezione 2. Tecniche avanzate per il clonaggio e la modifica dei geni. Tipi di vettori di clonaggio e loro uso. Vettori Gateway. Gibson protocol. Sintesi di geni. Amplificazione isotermica del DNA e sue applicazioni nella genomica delle piante.

Lezione 3. Approfondimenti sulle NBT/gene editing. TALEN e ZFN. L’evoluzione di CRISPR-CAS: base editing e prime editing. Altre tecniche (VIGS, e altro). Sintesi ed uso di oligonucleotidi in agricoltura. Aggiornamenti su normativa riguardanti le applicazioni in agricoltura di piante prodotte tramite NBT

Lezione 4. Molecular farming e biotecnologie per piante agrarie non alimentari. Le piante come biofabbriche di molecole ad alto valore aggiunto (proteine ricombinanti, vaccini, anticorpi, biopolimeri). Tecniche biotech per la produzione di energia (coltivazioni per biomassa), per la cattura del carbonio.

Lezione 5. Applicazioni di biologia sintetica e biotecnologiche mirate ad agricoltura fuori suolo, vertical farming e Cell Agriculture.

Testi/Bibliografia

Le diapositive delle lezioni fornite dai docenti sulla piattaforma VIRTUALE sono una base importante per strutturare lo studio in una sequenza logica e focalizzare gli approfondimenti sugli argomenti più importanti. Si prega pertanto di usarle come traccia necessaria ma certamente non sufficiente. Alle diapositive è necessario affiancare lo studio su libri di testo. I docenti indicheranno le pagine/capitoli dei libri da studiare.

Libri di testo fondamentali:

GENETICA AGRARIA (Russell, Wolfe, Hertz, Starr, McMillan, 2016, EdiSES editore). Il libro è conciso, altamente schematico e fornisce capitoli anche sugli argomenti più avanzati di genomica e biotecnologie, corredati da schemi intuitivi

MIGLIORAMENTO GENETICO DELLE PIANTE AGRARIE (F. Lorenzetti et al. 2017, Edagricole, Milano). Il libro è molto dettagliato, completo ma prolisso. Molti argomenti sono trattati ottimamente, ma è necessario selezionare le parti di interesse per focalizzare lo studio, sulla base delle lezioni.

Articoli di tipo “Review” in lingua inglese, forniti dai docenti, scritti da specialisti del settore che fanno il punto aggiornato su argomenti rilevanti del corso, anche corredati da filmati.

Libri di testo addizionali, consultabili per argomenti specifici (anche a seguito di indicazione dei docenti):

iGENETICA – FONDAMENTI (Peter J Russell, Edizione italiana a cura di Bellenchi, Gigliani, Ponti, EdiSES srl, Napoli) OTTIMO per ripassare le basi della genetica, genomica e delle biotecnologie, struttura del dna, rna e sintesi proteica, mutazioni genetiche, Caratteri Mendeliani, Leggi di Mendel, Teoria cromosomica e mappatura genetica. Ampia disponibilità in biblioteca

GENETICA. DALL’ANALISI FORMALE ALLA GENOMICA (McGraw-Hill Education; Leland H Hartwell, L Hood, ML Goldberg, AE Reynolds, LM Silver, RC Veres. McGraw-Hill Education; 2° edizione 1 giugno 2008) OTTIMO per ripassare le basi della genetica, genomica e delle biotecnologie,

GENETICA E GENOMICA. VOLUME II. MIGLIORAMENTO GENETICO. VOLUME III. GENOMICA E BIOTECNOLOGIE GENETICHE (G. Barcaccia, M. Falcinelli. Liguori editore, Napoli, 2005). Copre diversi argomenti del corso. Ampia disponibilità in biblioteca. Si presenta datato per alcuni argomenti del corso.

PLANT BIOTECHNOLOGY AND AGRICULTURE. PROSPECTS FOR THE 21ST CENTURY. (Arie Altman e Paul Michael Hasegawa editors. Academic Press, 2012 ISBN 978-0-12-381466-1) DOI https://doi.org/10.1016/C2009-0-61282-4 . Ottimo testo anche se non più aggiornatissimo, utile per approfondimenti, per tesine o tesi.

BIOTECNOLOGIE MOLECOLARI – PRINCIPI E TECNICHE. (Brown TA, 2017, Zanichelli). Copre diversi aspetti di applicazioni di genomica e biotecnologie. Disponibile in biblioteca. Indicazioni specifiche delle parti da utilizzare saranno date dal docente.

Metodi didattici

Il corso è articolato in lezioni ed esercitazioni.

Durante le lezioni vengono analizzati i principali aspetti della disciplina. A seguire, le esercitazioni pratiche sono basate sulla messa in pratica dei concetti e metodologie affrontati nelle lezioni teoriche, con data-sets o tracce appositamente preparate ed una interazione diretta con i docenti ed i tutor. Le esercitazioni vengono effettuate principalmente in aula informatica.

Le lezioni frontali potranno essere integrate con seminari ad invito di specialisti e professionisti, ovvero, ove possibile, visite presso aziende o enti operanti nel settore del miglioramento genetico delle piante.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

La prova di verifica e valutazione dell’apprendimento viene effettuata mediante un esame finale orale, uno per ciascun modulo. Per ogni modulo, è prevista l’apertura dell’esame con la presentazione e discussione di un caso studio (concordato preventivamente con il docente) di applicazioni di genomica e/o biotecnologie al miglioramento delle piante. Successivamente vengono poste 2-3 domande miranti all'accertamento delle conoscenze teoriche e pratiche acquisite dallo studente durante le lezioni. La durata della prova è di circa 20-30 minuti per modulo.

Strumenti a supporto della didattica

Per la didattica frontale è previsto l'uso di PC e videoproiettore. Le diapositive delle lezioni sono rese disponibili prima delle lezioni. Qualunque materiale bibliografico sarà reso disponibile tramite il Sistema Bibliotecario di Ateneo e/o fornito su VIRTUALE.

Blog/forum per comunicazioni docente-studenti su piattaforma VIRTUALE, accessibile ai soli studenti del corso. Per gli approfondimenti si riporta ad incontri diretti con i docenti.

Schemi di supporto mostrati a lezione e note di orientamento alla consultazione dei testi di studio.

Per le esercitazioni, è prevista la preparazione, da parte dei docenti, di data-sets da analizzare in classe corredati da slides di traccia.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Silvio Salvi

Consulta il sito web di Marco Maccaferri