Molecular methods for plant breeding

VARIETÀ MIGLIORATE FONTI DI VARIABILITÀ GENETICA

ISCRIZIONE AL ANALISI CON MARCATORI

REGISTRO VARIERTALE SELEZIONE MOLECOLARI

COMMERCIALIZZAZIONE DI ANALISI DI MERCATO

NUOVE VARIETÀ

▪ PRINCIPALE “COSTITUZIONE GENETICA” USATA PER LA PRODUZIONE (in base al sistema produttivo)

PIANTE PIANTE

PIANTE AALLOGAME AUTOGAME

PROPAGAZIONE

Popolazioni Popolazioni

VEGETATIVA

Linee Linee

Cloni

Ibridi Ibridi

17[3] OBIETTIVO DELL’ANALISI IN RELAZIONE AI METODI DI MIGLIORAMENTO GENETICO

In riferimento agli obiettivi specifici di un dato lavoro, è possibile riconoscere due situazioni generali:

1. la prima riguarda i casi in cui una popolazione costituita da individui diversi geneticamente debba esseremigliorata attraverso un programma di selezione. La popolazione può essere una varietà, un ecotipo, unagenerazione segregante ottenuta dall’incrocio tra linee o tra popolazioni.

2. la seconda situazione comprende i casi i cui obiettivi sono la scelta di

parentali (linee o popolazioni) per la costituzione di materiale ibrido. Il materiale ibrido può essere prodotto allo scopo di costituire una varietà ibrida di prima generazione o di generazioni più avanzate (varietà sintetiche), oppure per la costituzione di materiale di base per la selezione.[4]

VARIABILITÀ QUANTITATIVA E MIGLIORAMENTO GENETICO- Molti caratteri di primaria importanza dal punto di vista economico (sviluppo vegetativo, peso delle cariossidi, contenuto proteico e di olio nei semi, precocità etc.) presentano una variabilità che non è di tipo qualitativo: le differenze tra individui dipendono dal grado di espressione del carattere e non dalla manifestazione di attributi nettamente distinti tra loro.- La variabilità di questo tipo è detta quantitativa ed i caratteri che la manifestano sono chiamati quantitativi o metrici perché il loro studio viene eseguito su misurazioni, piuttosto che su frequenze.

tipiche dell'analisimendeliana.

L'ANALISI DELLA VARIABILITÀ

- L'analisi della variabilità viene eseguita con metodi biometrici (analisi della varianza, regressione, correlazione…)per mezzo dei quali il sistema poligenico viene studiato nel suo insieme. Per queste analisi vendono utilizzate lemisurazioni del carattere (valori fenotipici) rilevati sulle singole unità sperimentali (individui, parcelle, famiglie..).

- Le informazioni che si ottengono possono essere utili per fare previsioni circa la trasmissibilità del carattere daigenitori alla progenie. Più precisamente è possibile valutare:

o L'importanza relativa del genotipo e dell'ambiente nella determinazione delle differenze tra individuio Le caratteristiche ereditarie medie dei fattori coinvolti 2- La quantità di variazione di un carattere può essere espressa in termini di varianza (σ ). Questo è un indicestatistico uguale

alla media dei quadrati degli scarti:
X: rappresenta il valore della variabile (carattere) studiata.
N-1: rappresenta il numero di osservazioni indipendenti (gradi di libertà).
Valori elevati nella varianza indicano che, per quanto riguarda il carattere studiato, gli individui considerati sono molto diversi tra loro.
- La varianza osservata si compone di due quote, differenze genetiche e differenze ambientali.
2P- Sulla base del modello matematico adottato la varianza fenotipica (σ) della popolazione può essere scomposta.
2G 2E 2p 2G 2E
in due quote additive, una è la varianza genetica (σ) e l'altra è la varianza ambientale (σ): σ = σ + σ.
- Se individui geneticamente uguali (esempio individui di una linea pura) vengono allevati in diverse condizioni ambientali, la varianza tra le misurazioni è una stima della varianza ambientale. Quindi: σ = σ - σ.
2B 2G 2p
- Il rapporto H = σ / σ.nel processo di scelta e riproduzione selettiva degli individui con determinate caratteristiche desiderate. Questo processo può influenzare la frequenza dei geni nella popolazione e quindi portare a cambiamenti nel fenotipo della popolazione nel corso delle generazioni successive. L'importanza del genotipo come causa delle differenze fenotipiche tra gli individui può essere valutata utilizzando il coefficiente di determinazione genetica, che varia da 0 a 1. Un valore di 0 indica che le differenze fenotipiche sono dovute solo a cause ambientali, mentre un valore di 1 indica che le differenze fenotipiche sono determinate solo da cause genetiche. La varianza genetica può essere scomposta in due componenti: la varianza genetica additiva e la varianza genetica non additiva o di dominanza. La varianza fenotipica della popolazione può quindi essere scomposta in tre componenti: la varianza genetica additiva, la varianza genetica non additiva e la varianza ambientale. L'ereditabilità in senso stretto (hN) tiene conto solo della quota di varianza genetica additiva e può essere calcolata come il rapporto tra la varianza genetica additiva e la varianza fenotipica. La selezione artificiale è un metodo utilizzato per influenzare la frequenza dei geni nella popolazione attraverso la scelta e la riproduzione selettiva degli individui con determinate caratteristiche desiderate. Questo processo può portare a cambiamenti nel fenotipo della popolazione nel corso delle generazioni successive.punto di vista dell'agricoltura e dell'allevamento, in quanto permette di selezionare gli individui migliori per ottenere una generazione successiva con caratteristiche desiderate. La selezione viene applicata per migliorare il valore medio di un determinato carattere, come ad esempio la produzione o il contenuto proteico. Nel grafico, la curva continua rappresenta la popolazione parentale su cui viene effettuata la selezione, mentre la curva tratteggiata rappresenta la popolazione filiale risultante. Gli individui selezionati sono indicati nella parte ombreggiata del grafico. Il differenziale di selezione, indicato con S, rappresenta la differenza tra il valore fenotipico medio degli individui selezionati e la media dei valori fenotipici della popolazione dei genitori. La risposta alla selezione, indicata con R, corrisponde alla differenza tra la media della popolazione progenie e la media della popolazione dei genitori. Questa relazione è estremamente utile per migliorare le caratteristiche delle piante e degli animali utilizzati in agricoltura e allevamento.

Il punto di vista teorico mette in evidenza come sulla base della conoscenza di una stima corretta dell'ereditabilità sia possibile valutare preventivamente la risposta alla selezione. Dal punto di vista applicativo è possibile esprimere la stessa relazione in una forma più utile, che consente di analizzare i fattori che determinano il differenziale di selezione e di elaborare metodi che, a seconda delle situazioni, massimizzano la risposta. Esprimendo le due quantità S e R in forma standardizzata, cioè in unità di deviazione standard σP (anziché secondo l'unità di misura originale) si ha:

- dove σP è la deviazione standard fenotipica che misura la quantità di variabilità presente nella popolazione e l'intensità di selezione (differenziale di selezione standardizzato: i = S/σP). i dipende dalla proporzione degli individui selezionati. Valori massimi di R si

TECNICHE DI MIGLIORAMENTO GENETICO

[1] INTRODUZIONE

Miglioramento genetico

Tecnologie tradizionali Tecnologie moderne

• Miglioramento genetico mediante incroci - colture di cellule e tessuti, uso di marcatori molecolari
• Mutagenesi - ingegneria genetica (OGM), genomica, genome editing

Tutte tecniche che devono essere usate in sinergia tra loro e non come alternative

Che cos'è naturale? Per gli scienziati tutto quello che è

hanno quando l'ereditabilità del carattere è molto elevata.- La risposta alla selezione può essere aumentata con l'incremento del coefficiente di selezione i. In questo caso è necessario tener conto che l'aumento di questo parametro comporta la diminuzione della proporzione di individui selezionati- Banalizzando il miglioramento genetico delle popolazioni può essere enunciato nel seguente modo: Selezione per i caratteri desiderati: RACCOGLI TUTTO SEMINA I MIGLIORI [Cross the best get the best]

Permesso dalle leggi della fisica e della chimica. - Dato che in Europa gli OGM sono stati "vietati", i genetisti si sono concentrati su nuove tecnologie di incrocio (NBT o biotecnologie sostenibili) come la cisgenia e il genome editing, che portano allo sviluppo di varietà vegetali non transgeniche. Le NBT incrementano la precisione, l'efficienza e la velocità del plant breeding, e creano rapidamente resistenze a fitofarmaci e fungicidi. Solitamente si utilizza un parentale OGM, si incrocia con uno non GM, si fa segregare via il costrutto GM e si ottiene così un prodotto non OGM. Da questa estate (2018) la comunità europea li ha equiparati agli OGM, quindi anche questa tecnica è stata bandita. - L'impiego di OGM rappresenta un grande avanzamento tecnologico, che si scontra però con problemi etici e sociali, dovuti in gran parte alla resistenza psicologica da parte dell'opinione pubblica. CISGENIA GENOME

EDITING VARIETÀ A VARIETÀ B VARIETÀ A GENE B

Trasferimento gene/sequenza con tecniche di biologia molecolare

La proteina B modifica in maniera VARIETÀ A + gene della VARIETÀ B VARIETÀ A + gene B (OGM) selettiva alcune parti del genoma

Per incrocio si fa segregare via il gene B SPECIE A con sequenze specifiche modificate (non OGM)

CISGENIA

• Trasferimento gene/sequenza con tecniche di biologia molecolare della varietà B alla varietà A, ottenendo una varietà A con caratteri di B.
• Le differenze tra breeding convenzionale e cisgenia è che bisogna fare un sacco di backcrosses per ritornare ad avere la varietà elite (var. A) con la presenza di caratteristiche di B, con gli altri metodi questi passaggi li evito.

GENOME EDITING

Si trasferisce un gene B mediante tecniche di biologia molecolare nella specie A ed ottengo un transgene (specie A + gene B), per

1. incrocio poi si fa segregare via il gene B e ottengo una specie A con sequenze specifiche modificate (non è OGM)
2. La tecnica migliore per il genome editing è la CRISPR/Cas9^[2]

PRINCIPALI TECNICHE DI GENOME EDITING

• ZINC FINGER NUCLEASES (ZFNs)

Questa è una proteina costruita in vitro e costituita da 2 parti: la prima è un fattore di costruzione (proteine regolatrici che si legano ai promotori dei geni ed attivano la formazione del messaggero). Siamo in grado di manipolare queste proteine per far legare qualsiasi sequenza di nostro interesse.

A questo punto si costruisce una proteina che si lega a qualsiasi sequenza nucleotidica. A questa proteina lego un dominio Fok 1, che taglia il DNA dove voglio, (mutazione sito specifica). Posso quindi direzionare i costrutti come voglio in modo da ottenere un'alta efficienza.

• DNA DOUBLE-STAND BREAK (DSB)

È utilizzata la capacità di riparazione del DNA per ottenere 3 tipologie di risultati: delete,

edit e insert.