66632 - BIOTECNOLOGIE GENETICHE VEGETALI

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso, lo studente ha conoscenze di base per realizzare interventi biotecnologici sulle piante erbacee di interesse agrario, a supporto dell'attività di miglioramento genetico quali/quantitativo della produzione e sua sostenibilità. Vista l'importanza dei caratteri quantitativi per la produzione primaria delle specie agrarie, soprattutto i cereali, lo studente acquisirà le conoscenze per mappare, clonare ed editare geni e QTL (Quantitative Trait Loci). In particolare, conosce e sa applicare le principali metodologie di genetica circolare (dal fenotipo al gene/QTL e da questi al fenotipo) per fini di ricerca e/o di miglioramento genetico. Lo studente acquisirà le conoscenze richieste per implementare la selezione assistita da marcatori, il clonaggio di geni/QTL e di ingegneria genetica ed editing dei geni. Particolare enfasi verrà dedicata alla capacità di risolvere problemi che riguardano le applicazioni delle tecniche presentate.

Contenuti

1. Introduzione al corso.

Rapida carrellata dei principali argomenti del corso, con collegamenti mirati ad aspetti applicativi attuali e futuri nel contesto socio-economico globale.

2. Elementi di botanica e fisiologia vegetale.

Descrizione delle peculiarità della cellula vegetale, del differenziamento in tessuti e organi, con particolare focus su tessuti meristematici e anatomia e morfologia di fusto, radice e foglia. I fitormoni: sintesi, trasporto e meccanismi di segnalazione e funzioni biologiche, con esempi del ruolo di citochinine, etilene, acido abscissico, gibberelline e auxina.

3. Struttura dei genomi delle piante.

Descrizione dei genomi vegetali, dimensioni, elementi trasponibili e regioni ripetute, rapporti tra eucromatina ed eterocromatina, numero di geni. Evoluzione dei genomi e poliploidia, sintenia e colinearità. Fattori di trascrizione e famiglie multigeniche. Cenni di sequenziamento dei genomi.

4. Analisi del trascrittoma delle piante.

Descrizione dei principali meccanismi di regolazione dell’espressione genica e metodologie per lo studio dell’espressione, dal microarray al RNASeq. Espressione differenziale e network genici.

5. Fondamenti di genetica ed epigenetica dello sviluppo: sviluppo embrionale e sviluppo post-embrionale, interazione pianta/ambiente.

Embriogenesi e differenziamento dei meristemi, controllo del destino cellulare La risposta a stimoli esterni (temperatura e luce), la regolazione della fioritura e differenziamento organi fiorali. Uso dei mutanti per lo studio delle funzioni geniche. Esempi di risposta agli stress biotici e abiotici. Fattori di trascrizione coinvolti nella regolazione dello sviluppo e nella risposta agli stimoli ambientali.

6. Controllo genetico dei sistemi di riproduzione.

Descrizione degli organi riproduttivi: fiore, frutto e seme e delle modalità di riproduzione delle piante. Sistemi riproduttivi: Incompatibilità genetica; maschiosterilità; apomissia. Piante poliploidi. Vigore ibrido e depressione da inbreeding.

7. Genetica molecolare, marcatori molecolari: SNPs identificazione ed utilizzo (analisi della variabilità genetica/domesticazione delle specie agrarie vegetali)

Identificazione di variazioni nella sequenza nucleotidica del DNA; studio della variabilità genetica e dell’effetto di domesticazione e selezione nelle maggiori specie di interesse agrario.

8. Applicazioni della genetica molecolare al miglioramento genetico, mappatura di geni che controllano caratteri Mendeliani e quantitativi, mappaggio QTL e analisi per associazione.

Definizione di QTL e metodi per il mappaggio. Mappaggio per associazione. Popolazioni sperimentali per la mappatura di loci Mendeliani e quantitativi, popolazioni naturali per analisi di associazione. Selezione assistita con marcatori (MAS).

9. Mutagenesi e TILLING.

Mutazioni indotte tramite agenti mutageni. Forward and reverse genetics. Applicazioni per il miglioramento genetico di specie di interesse agrario.

10. Le Tecnologie del DNA ricombinante.

Manipolazione di acidi nucleici, metodologie di clonaggio, produzione di vettori e trasformazione batterica. Applicazioni per produzione di librerie di DNA, espressione eterologa di proteine e mutagenesi in vitro ed in vivo.

11. Introduzione alle tecniche di colture in vitro.

Principi generali. Embriogenesi, organogenesi, colture cellulari aploidi, coltura di protoplasti, fusione somatica embryo rescue, micropropagazione. Preparazione di terreni di coltura e utilizzo di regolatori di crescita.

12. Trasformazione genetica delle piante.

Metodi di trasformazione: biolistico, trasformazione mediata da Agrobacterium, polyethilene-glicole gene trasfer, microspore transfection, in planta transformation, viral-mediated transformation, floral dip. Transgenesi, cisgensi, intragenesi. Silenziamento genico (RNAi, microRNA, VIGS). Marcatori di selezione e geni reporters.

13. New Genomic Techniques (NGT).

Oligonucleotide directed mutagenesis (site-directed mutagenesis). Genome editing: Meganucleasi, Zinc Finger Nucleases (ZFN), Transcription activator-like effector nuclease (TALEN), Clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)/CRISPR-associated protein 9 (Cas9). Applicazioni per il miglioramento genetico delle piante.

14. Situazione attuale GM nel mondo.

Cenni storici, applicazioni ed obiettivi della trasformazione genetica, diffusione delle colture GM nel mondo.

Testi/Bibliografia

- Peter J. Russell. “GENETICA Un approccio molecolare” Edit. Pearson

- Russell PJ et al GENETICA AGRARIA. EdiSES, 2016.

- MIGLIORAMENTO GENETICO DELLE PIANTE AGRARIE (F. Lorenzetti et al. 2017, Edagricole, Milano).

- BIOTECNOLOGIE MOLECOLARI – PRINCIPI E TECNICHE. (Brown TA, 2017, Zanichelli).

- Plant genes, genomes and genetics. Erich Grotewold, Joseph Chappell, Elizabeth A. Kellogg. Wiley-Blackwell ed.

Metodi didattici

Il corso è articolato in lezioni frontali ed esercitazioni di laboratorio. Durante le lezioni frontali (48 ore), con l’ausilio di diapositive, sono esposti gli aspetti principali della disciplina come riportati nel programma di cui sopra. Le attività di laboratorio prevedono 30 ore di esercitazioni pratiche di biotecnologie e genomica /trascrittomica applicate alle piante di interesse agrario. Sulla piattaforma Virtuale gli studenti avranno accesso alle slides delle lezioni e altro materiale didattico supplementare quali articoli in riviste scientifiche, video, link a pagine web.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

La valutazione dell'apprendimento del corso tiene conto del livello di conoscenze e competenze acquisite dallo studente relativamente ai contenuti del corso. L'apprendimento dell'insegnamento viene verificato mediante un esame scritto al termine delle lezioni, composto da una combinazione di domande a risposta multipla e a risposta aperta. I quesisti a risposta multipla sono 20 (1 punto per ogni domanda esatta, 0 se errata o assente), le 4 domande a risposta aperta prevedono fino a 3 punti ciascuna, valutando la correttezza della risposta e la proprietà di linguaggio. Il punteggio massimo ottenibile è di 30 e lode. La prova si intende superata con un punteggio minimo di 18/30.

Sarà anche possibile sostenere la prova di valutazione orale tramite un colloquio di 30 minuti in cui verrà valutata la preparazione sul programma del corso.

Studenti/sse con DSA o disabilità temporanee o permanenti: si raccomanda di contattare per tempo l’Ufficio di Ateneo competente (https://site.unibo.it/studenti-con-disabilita-e-dsa/it). Sarà sua cura proporre agli/lle studenti/sse interessati/e eventuali adattamenti, che dovranno comunque essere sottoposti, con almeno 15 giorni di anticipo, all’approvazione del/della docente, il/la quale ne valuterà l'opportunità anche in relazione agli obiettivi formativi dell’insegnamento.

Strumenti a supporto della didattica

Videoproiettore per le lezioni frontali, laboratorio di biologia molecolare e aule informatiche per le esercitazioni pratiche.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Francesco Camerlengo

Consulta il sito web di Cristian Forestan