B1827 - BIOTECNOLOGIE APPLICATE AL MIGLIORAMENTO DELLE SPECIE VEGETALI ANNUALI

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso lo studente ha una solida conoscenza della biologia e della struttura del genoma delle piante e dei suoi elementi caratterizzanti incluso la natura e diffusione degli elementi mobili, la poliploidia ed il genoma del cloroplasto. Lo studente conosce le tecniche genomiche e biotecnologiche volte alla dissezione della struttura del genoma delle piante, all’identificazione dei geni ed allo studio della loro espressione e funzione. Inoltre, lo studente conosce gli aspetti teorico-pratici relativi alle principali metodologie di selezione delle piante coltivate, utili a promuovere sistemi agricoli più sostenibili; conosce i principi di genetica quantitativa e di popolazione, i metodi di miglioramento genetico incluso incrocio, selezione, e i metodi genomici e biotecnologici, incluso l’editing genomico. Conosce i metodi di studio della diversità genetica per la valutazione, protezione ed utilizzo delle risorse genetiche.

Contenuti

Modulo 1 (Silvio Salvi)

Introduzioni ai genomi delle piante coltivate: struttura del cromosoma eucariotico, nucleosoma, telomero e centromero, struttura del genoma, evoluzione dei genomi. Genomi del mitocondrio e del cloroplasto. Poliploidia nelle piante e nella filogenesi. Aploidia e importanza nel miglioramento genetico.

Concetti di forward e reverse genetics. Clonaggio genico: significato e principali metodi con enfasi sulle piante di interesse agrario. Clonaggio posizionale. Clonaggio tramite mutagenesi da inserzione. BSA (per mapping by sequencing vedi modulo 2). TILLING e altre tecniche di reverse genetics. Tipi di tagging (transposon e T- tagging, etc). Discussione di articoli scientifici riguardanti forward e reverse genetics.

Ripasso di genetica quantitativa (Caratteri quantitativi e componenti della varianza fenotipica, genetica e ambientale. Ereditabilità. Vedi anche modulo 3). Ripasso su marcatori molecolari. Analisi QTL: principi generali. Analisi QTL tramite linkage, al singolo marcatore e per intervalli tramite regressione. LOD score e altri parametri. Introduzione a GWAS (vedi modulo 3). Discussione articoli scientifici su analisi QTL. Esercitazione pratica su analisi QTL con raccolta dati in campo, elaborazione dati, analisi QTL con software in laboratorio informatico.

Ingegneria genetica nelle piante. Basi biologiche ed utilizzo di Agrobacterium. Esempi di cultivar OGM di specie coltivate. Cis-genesi. Definizione e tecniche di Editing genomico. Metodi di editing basati su CRISPR-CAS. Analisi critiche delle potenzialità dell’editing nell’agricoltura Italiana.

Modulo 2 (Cristian Forestan)

Sequenziamento dei genomi delle piante: strategie generali. Tecniche di sequenziamento (Sanger, Next-Generation-Sequencing, long-read e a singola molecola); assemblaggio, ancoraggio e annotazione dei genomi. Genomica a supporto del mappaggio e del clonaggio. SNP-array. Mapping-by-sequencing.

Browser genomici e database funzionali. Principali progetti genomici delle piante coltivate.

Elementi trasponibili: biologia, evoluzione e meccanismi di produzione di variabilità genetica. Metilazione del DNA e meccanismi di regolazione epigenetica e tecniche per l’analisi dell’epigenoma.

Analisi del trascrittoma e della regolazione dell’espressione genica: analisi trascrittomiche dai microarray all’RNA-seq, fino alla trascrittomica della cellula singola e alla trascrittomica spaziale. Utilizzo della trascrittomica per lo studio della funzione genica. Esperimenti di time-course. Network di co-espressione. Identificazione dei master switch di un pathway. Tecniche per identificazione di siti di legame dei fattori di trascrizione Database di espressione genica.

Altre –omiche: analisi del proteoma e metabolomica. Integrazione di omiche per la comprensione della biologia dei sistemi.

Modulo 3 (Marco Maccaferri)

Struttura genetica delle popolazioni di piante autogame e allogame. Modello neutrale. Legge di Hardy-Weinberg e approfondimenti di genetica di popolazione. Tipi principali di selezione: purificatrice, positiva, diversificatrice. Linkage disequilibrium. Aplotipi genici e aplotipi long-range. Metodi per misurare la diversità genetica nelle popolazioni.

Risorse genetiche vegetali; collezioni di germoplasma. Struttura genetica delle popolazioni naturali e artificiali e i metodi di analisi e di miglioramento delle stesse. Modalità di raccolta e di conservazione e caratterizzazione molecolare e fenotipica delle risorse genetiche vegetali.

Pre-breeding e ruolo della biodiversità nei programmi di miglioramento genetico. Collezioni costituite tramite Introgressioni assistite da marcatori molecolari e concetto di “linkage drag”.

Processo di domesticazione delle piante coltivate e conseguenze genetiche. Sindrome della domesticazione e sue basi molecolari. Geni principali coinvolti nella domesticazione. Concetto di selective sweep e loro identificazione nelle popolazioni.

Esempi di geni e alleli / mutazioni utili usati nel miglioramento genetico. I geni di N. Strampelli e N. Borlaugh. Principali geni regolatori e network genici dei processi di sviluppo e di risposta a stress abiotici. Geni a serie multialleliche, locus S di autoincompatibilità e loci per resistenza alle malattie.

Analisi di mappatura per associazione o GWAS in popolazioni, collezioni di germoplasma, panel di varietà.

Analisi delle differenze tra popolazioni per il mapping e popolazioni per il breeding.

Ulteriori tecniche per il miglioramento genetico: modifiche della ricombinazione, il gene Ph nei cereali. Basi molecolari dell’eterosi. Mutagenesi. Sintesi di poliploidi sintetici utilizzando accessioni di germoplasma. Sintesi di nuove specie tramite induzione della poliploidia e domesticazione accelerata.

Modulo 4 (Roberto Tuberosa)

Introduzione al miglioramento genetico nella filiera agroalimentare ed agroindustriale per l'aumento della produzione primaria vegetale, per il miglioramento della salubrità dei prodotti alimentari e della sostenibilità dei sistemi agrari. Principali fattori critici per la pianificazione di un progetto di miglioramento genetico. Principali applicazioni di selezione assistita da marcatori (MAS) e selezione genomica (GS). Selezione per più caratteri e per l'adattamento a diverse condizioni ambientali.

Casi studio: applicazioni biotecnologiche per un’agricoltura più produttiva, sostenibile (tolleranza a stress biotici ed abiotici, riduzione di input chimici ed energetici), e per il miglioramento del profilo nutrizionale – es. golden rice, per la produzione di biomassa e per economia circolare. Genomica circolare.

Testi/Bibliografia

Lorenzetti, Albertini, Frusciante, Rosellini, Russi, Tuberosa, Veronesi. 2018. Miglioramento genetico delle piante agrarie. EDAGRICOLE.

Articoli scientifici e dispense fornite dai docenti a lezione.

Metodi didattici

Lezioni frontali ed esercitazioni di laboratorio biotecnologico, laboratorio informatico e di serra.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Esame orale finale.

Strumenti a supporto della didattica

Lezioni frontali supportate da proiezioni powerpoint, visite guidate in aziende sementiere e vivaistiche, partecipazione ad eventi seminaristici o professionali del settore.

Orario di ricevimento

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