Miglioramento genetico tesina

INTRODUZIONE

La genetica, il cui nome è stato coniato da Bateson nel 1906, si fonda su ampie basi

sperimentali, sia nel campo zoologico sia in quello botanico, mentre nel campo antropologico

vale l’osservazione dell’esperimento realizzato in natura.

Gli studi compiuti da Mendel nella seconda metà del XIX sec. sugli ibridi vegetali hanno

dato una chiara visione dei meccanismi fondamentali dell’ereditarietà dei caratteri e hanno

posto le basi di questa scienza.

Lo sviluppo della genetica è connesso alle tappe più importanti della biologia moderna: basti

pensare alle nozioni di morfologia cellulare e infracellulare nonché di biologia molecolare

necessarie alla comprensione dei meccanismi genetici, all’integrazione con le teorie

dell’evoluzione, all’adozione dei metodi biometrici e più in generale biomatematici per

l’elaborazione della genetica teorica, ecc.

Fra gli orientamenti presenti della genetica si possono individuare: la genetica morfologica

che descrive le leggi di trasmissione dei caratteri morfologici, la citogenetica dedicata

soprattutto alla morfologia cromosomica, quale base cellulare della trasmissione dei caratteri;

a un livello più approfondito la biologia molecolare ossia lo studio delle basi molecolari di

questi caratteri; cioè innanzitutto lo studio degli acidi nucleici; la genetica fisiologica che

studia i meccanismi di estrinsecazione dei caratteri ereditari e l’azione dell’ambiente sul

prodotto genico (fenogenetica); la genetica evolutiva e delle popolazioni, che analizza la

mutazione e la selezione nei loro rapporti con le variazioni qualitative e quantitative delle

popolazioni e comprende anche lo studio dell’evoluzione degli esseri viventi durante le ere

geologiche.

Si è già detto che accanto alla parte sperimentale esiste un’importante genetica tecnica.

La genetica applicata utilizza i risultati scientifici per migliorare le colture agricole e gli

allevamenti zootecnici, mentre la genetica umana studia l’ereditarietà, sia normale che

patologica nella specie umana, e le conseguenze pratiche utilizzabili sia in clinica che in sede

preventiva (eugenetica), nonché in medicina legale.

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Cap. I

La genetica e il miglioramento genetico convenzionale e biotecnologico

Esistono due categorie metodologiche che, sulla base della conoscenza delle leggi della

genetica, consentono di acquisire negli organismi animali e vegetali, in via ereditaria, nuove

proprietà e processi, e nuove funzioni e prodotti.

La prima comprende i metodi 'tradizionali' di

miglioramento genetico quali l'ibridazione, il re-

incrocio, la selezione, e la mutagenesi.

Essi sono stati effettivamente collaudati e sono in

continuo perfezionamento grazie all'avanzare delle

conoscenze scientifiche, delle innovazioni tecniche,

delle sperimentazioni ed esperienze sia in

laboratorio sia in campo.

Con questi metodi il miglioramento genetico

vegetale, sviluppatosi soprattutto nel XX sec., ha

apportato grandi progressi nella costituzione di

varietà, linee e ibridi estremamente competitivi,

soprattutto a favore di una elevata resa produttiva.

Inoltre, l'impiego di composti chimici,

antiparassitari e fertilizzanti, ha garantito notevolmente l'incremento, caratteristico dei paesi

più sviluppati, di un'agricoltura molto produttiva ma a elevato indice di supporto di mezzi

tecnici.

Questo modello, anch'esso fondato su un grosso impegno nel miglioramento genetico di

cereali e di leguminose e nell'ammodernamento delle tecniche colturali e irrigue, ha prodotto,

tra gli anni Sessanta e Ottanta del secolo scorso in varie regioni del cosiddetto terzo mondo,

uno spettacolare incremento di produttività e di produzione, denominato 'rivoluzione verde'.

Tuttavia, stress ambientali e biotici, presenti in ogni area di coltivazione e a ogni latitudine,

minacciano continuamente di ridurre le rese dei raccolti, che da anni ormai non presentano,

nonostante la continua costituzione di nuove varietà, gli incrementi che hanno caratterizzato la

'rivoluzione verde'.

Inoltre, la presa di coscienza dell'elevato impatto ambientale dei metodi di coltivazione

intensiva e i costi sempre crescenti della gestione agricola, hanno riorientato la priorità della

ricerca genetica in agricoltura verso lo sviluppo di genotipi sempre meno dipendenti

dall'apporto chimico: piante che meglio utilizzano i nutrienti presenti nel terreno, piante più

resistenti a patogeni, insetti e virus, con conseguente riduzione dell'impiego di fertilizzanti e

antiparassitari.

La seconda categoria è quella delle 'biotecnologie genetiche' (dette anche 'ingegneria

genetica', o 'tecnologia del DNA ricombinante'), fondate sulla biologia e sulla genetica

molecolare, sulla genomica strutturale e funzionale, e sulla proteomica.

Quello degli organismi (piante, animali, microorganismi) geneticamente modificati o

'transgenici' (OGM), è uno dei settori di maggiore potenziale sviluppo fra le agro-

biotecnologie. 5

In effetti, scienziati e tecnici stanno acquisendo nel campo delle scienze della vita un volume

di saperi e di approcci metodologici che modificano profondamente soprattutto tre quadri

della vita degli esseri umani: la salute, l'alimentazione, l'ambiente, per effetto delle

applicazioni delle biotecnologie nei settori della medicina, dell'agricoltura, dell'ecologia.

Questi progressi sono il frutto di un percorso segnato da tappe scientifiche e tecnologiche

che si possono far partire dalla seconda metà del XIX sec., quando vennero poste, dall'inglese

Charles Darwin (1859) e dal monaco moravo Gregor Mendel (1865), le basi per una visione

razionale e generale dell'evoluzione biologica e della genetica.

Negli ultimi anni è apparsa molto utile, anche per il miglioramento genetico degli organismi

di interesse agrario, l'utilizzazione della metodologia dei marcatori molecolari, di cui esistono

ormai diverse classi.

Si tratta di porzioni di sequenze geniche, delle quali si può anche conoscere la funzione in

ambito agronomico, zootecnico, terapeutico, organolettico, e così via.

Esse, una volta confrontate con porzioni del genoma dello stesso organismo o di altri

organismi, permettono di rilevare e di marcare le identità o le differenze genomiche, le

modificazioni geniche, cioè in definitiva le serie di 'polimorfismi' tipici di ogni specie vivente.

L'uso di marcatori molecolari si sta dimostrando molto efficace nel miglioramento genetico

di animali e piante in quanto essi consentono di guidare la risposta alla selezione, che, per

questo motivo, è detta 'selezione assistita'.

I grandi progressi delle tecnologie di identificazione dei marcatori molecolari hanno già

permesso di approntare, per molte specie agrarie, mappe genetiche altamente 'saturate', in cui,

cioè, molti geni localizzati sui cromosomi della specie sono noti come marcatori di

caratteristiche utilitarie. Ciò consente di identificare le

linee parentali più adatte per un

programma di miglioramento

genetico e di selezionare

precocemente nella progenie di un

incrocio la pianta o l'animale

portatore dei fattori genetici

determinanti le caratteristiche che

si vogliono sottoporre a

miglioramento.

In zootecnia la selezione assistita

è molto efficace, per esempio, per

rilevare caratteristiche che sono espresse da un solo sesso, come la produzione di latte o di

uova o il numero di nati per parto, ovvero che sono difficilmente misurabili su animali vivi

come le caratteristiche della carne o della carcassa.

Se si tiene presente inoltre che nelle piante e negli animali molti caratteri di interesse

economico sono 'poligenici', cioè controllati da molti geni ad azione piccola ma additiva, l'uso

dei marcatori molecolari, legati o collocati entro più loci codificanti caratteri quantitativi,

fornisce a livello del DNA informazioni da usare direttamente per accrescere l'efficacia della

selezione, vale a dire del miglioramento genetico vegetale e animale.

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Se si considera, inoltre, che l'uso di tali marcatori molecolari può accrescere la velocità e

l'efficienza dell'introduzione, tramite incrocio, di geni da una varietà o razza a un'altra, o da

specie selvatiche a specie allevate, si percepisce come i progressi ottenuti con la genetica

molecolare sono ormai essenziali non soltanto per l'ingegneria genetica degli OGM, ma anche

per potenziare i convenzionali metodi di miglioramento genetico.

In conclusione, lo sviluppo della genomica, dal punto di vista strutturale e funzionale,

permetterà non soltanto di agire attraverso il trasferimento di geni, ma anche di ottenere

risultati più mirati e positivi dei classici metodi di miglioramento genetico. In altre parole, si

tratta di sfruttare i potenti strumenti offerti dalla biologia cellulare, dalla biologia molecolare e

dalle tecnologie genetiche finalizzandole a procurare sostanziali modifiche dell'architettura e

del metabolismo delle piante agrarie come degli animali per uso zootecnico.

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Cap. II

L'ingegneria genetica vegetale

Ingegneria genetica e metodi convenzionali di miglioramento genetico hanno gli stessi

obiettivi, ossia ambedue formano e producono, secondo uno specifico piano di lavoro, piante

e animali che presentano caratteristiche innovative e più efficienti.

La scelta dell'impiego dell'una o dell'altra metodologia dipenderà dallo specifico problema

da risolvere, dallo stato delle conoscenze ed esperienze, dalle attitudini del ricercatore e del

gruppo di lavoro, dalle potenzialità e dal ventaglio di prospettive attese.

Le differenze tra le due metodologie riguardano in particolare la 'quantità di geni' che

vengono trasferiti da un organismo a un altro e il 'mezzo' di trasferimento.

Con i metodi convenzionali si utilizza la capacità

innata che ha ciascun individuo, si tratti di vegetali

o di animali, di far ricombinare i propri geni e di

distribuirli in modo casuale nei nuclei dei propri

gameti, consentendo così, dopo l'ibridazione

(mezzo naturale di trasferimento dei geni) e la

conseguente fusione dei gameti dei due individui

parentali, la formazione di progenie caratterizzate

da nuove combinazioni fra i tanti geni di cui il

patrimonio genetico è composto.

Il genetista è in grado di guidare e di orientare questa capacità naturale degli organismi di

trasferire geni a membri della stessa specie, programmando l'ibridazione tra una varietà

pregevole per caratteristiche quantitative e qualitative ma carente, per esempio, della

resistenza alle malattie, e un'altra portatrice di fattori di resistenza.

Nella successiva opera di selezione, da condurre per più generazioni e spesso anche

ricorrendo a reincroci, le ricombinazioni non desiderate verranno eliminate sperimentalmente

per tendere alla costituzione di un tipo selezionato e migliorato per il carattere voluto.

Il genoma di tale nuova varietà, nel presentare il o i nuovi caratteri desiderati potrà

esprimere, però, anche nuove e casuali combinazioni fra i fattori genetici portati dai genomi

dei due genitori.

Tale condizione è evitata negli organismi transgenici, cioè negli OGM, organismi cosiddetti

geneticamente modificati, costituiti mediante la metodologia dell'ingegneria genetica.

Infatti, con tale metodologia, invece di dipendere dalla ricombinazione casuale di un largo

numero di geni, il genetista inserisce direttamente nel genoma da migliorare (quindi senza

l'intermediazione dei gameti) singoli geni, detti 'transgeni', portatori di caratteri

preventivamente studiati.

Le tecniche del DNA ricombinante sono, dunque, il frutto del progresso scientifico e

metodologico derivante dalle scoperte della biologia molecolare, della genetica molecolare e

delle tecniche di trasferimento intergenomico del DNA.

Esse rappresentano un'estensione e un perfezionamento delle precedenti, e meno precise,

tecniche convenzionali di trasferimento genico.

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Ma la 'seconda generazione' di piante OGM, ottenibile sfruttando i progressi della genomica

e proteomica e ricorrendo maggiormente a transgeni provenienti da piante della stessa specie

o di specie affini, è in avanzata preparazione e sperimentazione in numerosi centri di ricerca,

soprattutto negli Stati Uniti, in Canada, in America Meridionale, in Cina e in Asia orientale e