Riassunti Miglioramento genetico

Miglioramento genetico e vivaismo frutticolomiglioramento genetico in arboricoltura

Le tappe dal miglioramento genetico classico a quello moderno

• Mutazioni spontanee
• Mutagenesi indotta
• Modificazione del grado di ploidia
• Incrocio interspecifico e intraspecifico
• Piani di incrocio e selezione dei semenzali
• Selezioni in vitro
• Ibridazione somatica
• Trasformazione genetica
• Cisgenesi e genome editing
• Marcatori molecolari
• Selezione assistita da marcatori

Principali processi con impatto sulla diversità genetica

• Domesticazione
• Diffusione dal centro di origine e diversificazione
• Miglioramento genetico

Domesticazione

La domesticazione è importante per capire la variabilità genetica. Essa è stata effettuata dall’uomo esercitando una pressione selettiva. Le specie coltivate si sono adattate alle diverse condizioni ambientali e anche alle lunghe rotte commerciali. Le conseguenze della domesticazione sono:

• Perdita dei meccanismi di dispersione dei semi, di dormienza e delle esigenze in fotoperiodo;
• Modifica dell’habitus;
• Aumento delle dimensioni degli organi utilizzati come frutti, semi e organi di riserva;
• Acquisizione di resistenze (biotiche ed abiotiche);
• Conversione da perenne ad annuale.

Un aspetto importante è la conservazione delle risorse fitogenetiche (insieme della variabilità del mondo vegetale), quindi conservare la variabilità genetica accumulata. La perdita della variabilità genetica è causata dall’erosione genetica, conseguenza dello sviluppo agricolo e industriale in quanto si è avuto un progressivo impoverimento dell’eterogeneità delle colture, infatti l’alimentazione mondiale è basata su 30 specie vegetali. L’erosione genetica determina anche un incremento della vulnerabilità delle colture ai cambiamenti ambientali o alla comparsa di nuove malattie.

La maggior parte della variabilità genetica è presente nei Paesi in via di sviluppo poiché nei Paesi più tecnologicamente avanzati si cerca di selezionare solamente le varietà più produttive. La conservazione delle risorse fitogenetiche serve a salvaguardare queste risorse, preservare i processi evolutivi delle popolazioni locali ed infine mantenere disponibili materiali per gli agricoltori e i costitutori. Le risorse fitogenetiche si possono conservare:

• In situ: è la protezione delle risorse genetiche nell’ambiente (es. aree protette, oasi e riserve) dove la diversità si è evoluta con dinamicità.
• Ex situ: si realizza mantenendo gli individui da tutelare in ambienti diversi da quelli di origine. I vantaggi sono: migliore gestione, riduzione dei costi e maggiore controllo. Gli svantaggi sono: rischio di perdita di materiale per incidente, erosione genetica interna e non permette il normale svolgimento del processo evolutivo.

Le operazioni da fare per questa conservazione ex situ sono:

• Conservazione dei semi: i semi si utilizzano perché sono più efficienti, economici e sicuri. Si conservano ad una T di 18°C ed U.R. dal 3 al 7%.
• Colture di tessuto
• Raccolta di DNA
• Conservazione di piante

Il limite di queste operazioni è l’arresto dell’evoluzione della specie poiché vengono bloccati i processi naturali di selezione. Con questa conservazione si effettua la rigenerazione per il rinnovamento dei campioni per evitare alterazione delle caratteristiche genetiche, moltiplicazione per aumentare le dimensioni del campione, caratterizzazione per valutare gli attributi qualitativi invariabili come il colore del fiore, la valutazione per determinare i caratteri agronomici come resistenza a stress biotici, abiotici, contenuto in proteine, la documentazione per ottimizzare i risultati per il resto della comunità scientifica ed infine l’interscambio per conservare e promuovere l’utilizzazione delle risorse fitogenetiche. La conservazione ex situ consente una valutazione diretta, comparata dei genotipi. Necessita di grandi superfici e di elevati costi e può essere attaccata dai patogeni. Le conservazioni in situ ed ex situ sono metodi complementari che non si escludono. Per conseguire l’obiettivo comune ossia quello della conservazione del germoplasma è necessaria una stretta collaborazione tra i differenti settori implicati per ottenere un’integrazione equilibrata di entrambe le strategie.

Miglioramento genetico

È l’arte e la scienza di individuare, cambiare e migliorare le piante nel succedersi delle generazioni, attraverso la modifica del patrimonio genetico. È antico quanto l’agricoltura e riguarda sia la cultivar sia il portainnesto. Il miglioramento genetico coinvolge molti rami che comprendono la botanica, l’economia, agronomia, coltivazioni, entomologia, biochimica, patologia vegetale, fisiologia vegetale, biotecnologie e la genetica.

Piante arboree

Le piante arboree presentano delle peculiarità che sono:

• Ciclo poliennale che comprende l’allevamento, la maturità e la senescenza;
• Fasi fenologiche differenziate;
• Propagazione vegetativa;
• Giovanilità che è un fenomeno tipico delle piante ottenute da seme;
• Alta eterozigosi ossia la presenza frequente di due forme alleliche diverse per singolo gene;
• Auto-incompatibilità e alta poliploidia.

Il ciclo di sviluppo dell’albero comprende una fase della giovinezza che va da 1 a 4 anni; una fase di produttività crescente che va da 4 a 8 anni; una fase di maturità produttiva che va dagli 8/20 ai 40 anni ed infine una fase di senescenza che va dai 40 anni in poi. Le piante arboree inoltre hanno dei genotipi fissati grazie alla propagazione agamica e un’ulteriore caratteristica è la poliploidia ossia la presenza di più di 2 corredi cromosomici di base.

Meccanismi per assicurare l'allogamia

Essi comprendono:

• Sterilità riproduttiva che comprende:
  • Sterilità morfologica che si divide in androsterilità ossia la sterilità degli stami ed è dovuta a difetti morfologici degli stami, sterilità delle antere e assenza di pori germinativi. Un esempio riguarda i fiori maschili del castagno; e ginosterilità ossia la sterilità del gineceo ed è dovuta ad un aborto dell’ovario, difetti morfologici degli stili e totale o parziale mancanza sviluppo dell’ovario.
  • Sterilità citologica dovuta ad errori nella micro o macrosporogenesi che determinano sterilità del polline o del sacco embrionale. Alcune conseguenze sono: cultivar triploidi come banano e agrumi, e anomalie o totale mancanza del sacco embrionale.
  • Sterilità fattoriale determinata dall’incapacità del polline di fecondare i fiori con la stessa costituzione genica al locus S. Questa sterilità è un sistema di controllo che permette al pistillo di riconoscere pollini geneticamente incompatibili bloccandone la germinazione o la crescita. Questa sterilità si divide in:
    • Sterilità gametofitica: questa incompatibilità è determinata dal genotipo aploide del polline. Es:
      • Se sopra lo stigma di una pianta di genotipo S1 S2 (alleli) arrivano granuli di polline con genotipo S1 S2 non potranno germinare.
      • Se invece sopra lo stigma di una pianta S1 S2 arrivano granuli di polline con genotipo S1 S3, solamente gli S3 potranno germinare.
      • Se sopra lo stigma di una pianta di genotipo S1 S2 arrivano granuli di polline con genotipo S3 S4 entrambi gli S3 S4 potranno germinare.
    • Sterilità sporofitica: il fenotipo incompatibile è determinato dal genotipo del genitore del polline. Ad esempio: se abbiamo una pianta femmina con genotipo S1 S2 ed incontra 3 granuli pollinici, 2 granuli con genotipo S3 ed 1 con genotipo S1. I granuli pollinici con genotipo S3 derivano uno da un genitore S1 S3 e l’altro da un genitore S3 S4. Solamente il polline S3 che deriva dal genitore S3 S4 può fecondare la pianta, questo perché l’incompatibilità è determinata dal genotipo del genitore e per potersi fecondare, i 4 alleli (2 del maschio e 2 della femmina) devono essere tutti diversi.
• Dioicismo ossia la separazione dei sessi su piante differenti;
• Dicogamia ossia la maturazione degli organi sessuali maschili e femminili non contemporanea, e si divide in: Proterandria cioè i fiori maschili si sviluppano prima di quelli femminili e Proteroginia cioè i fiori femminili si sviluppano prima di quelli maschili.

Caratteri qualitativi e quantitativi

Il carattere qualitativo è controllato da un solo gene (dominante o recessivo) che è ereditato secondo le leggi di Mendel e presenta una variabilità discontinua. Si può definire con un aggettivo. Il carattere quantitativo è controllato dall’insieme di più geni con effetto limitato e cumulativo sul fenotipo. Il carattere varia in modo continuo e deve essere descritto attraverso misure e parametri numerici.

I principali obiettivi del miglioramento genetico sono:

• Aumento della produttività
• Miglioramento della qualità dei frutti
• Diversificazione dell’epoca di maturazione
• Modificazione dell’habitus vegetativo e della vigoria
• Resistenza o tolleranza alle malattie
• Adattabilità a fattori edafici e climatici
• Efficienza dei processi fisiologici

Sviluppo di un programma di miglioramento genetico

Per effettuare un programma di miglioramento genetico bisogna individuare l’ideotipo di una pianta. Abbiamo diversi ideotipi:

• Ideotipo per arboricoltura da frutto: che deve avere alta produttività, resistenza ad avversità biotiche ed abiotiche, una buona qualità del frutto, un buon aspetto forma e dimensioni, resistenza alle manipolazioni, un buon valore nutrizionale, conservabilità e attitudine alla trasformazione.
• Ideotipo per arboricoltura da legno: che deve avere alto vigore, rapidità di crescita, fusto dritto e circolare, stabilità, facilità di propagazione per talea, legno con caratteri tecnologici adeguati.
• Ideotipo per arboricoltura ornamentale e usi urbani: che deve essere rustico, resistente agli inquinanti, fasi fenologiche ad effetto ornamentale.
• Ideotipo per arboricoltura per la valorizzazione e la difesa ambientale: che deve avere un effetto di barriera antipolvere e antirumore, deve effettuare un risanamento del terreno, deve essere facile da propagare e deve avere una chioma ed un apparato radicale denso e robusto.

Le condizioni per effettuare tale programma sono:

• Chiarezza degli obiettivi e delle priorità
• Conoscenza del germoplasma

Le fasi sono:

• Analisi delle basi morfogenetiche e dei caratteri da inserire
• Scelta del metodo di miglioramento genetico
• Modalità di selezione

Lotta genetica

È l’utilizzo di varietà resistenti ai patogeni. Questi meccanismi sono:

• Tolleranza: che si ha quando la pianta riesce a sopportare il danno causato da uno stress biotico o abiotico che è compatibile con il successo economico della coltura.
• Resistenza: è la capacità di una pianta di resistere a stress biotici o abiotici. Si divide in:
  • Resistenza orizzontale è un carattere dalla base genetica quantitativa che determina un livello di danno basso sulla pianta poiché il controllo di questo tipo di resistenza è poligenico, difficilmente può essere superata dalla variabilità del parassita.
  • Resistenza verticale è un carattere dalla base genetica qualitativa. Tale carattere può essere facilmente superato da una mutazione del patogeno.
• Ipersensibilità: che è un meccanismo di resistenza basato su una sensibilità della pianta così elevata da portare alla rapida morte cellulare delle cellule colpite dal patogeno impedendo così l’avanzamento dell’infezione. L’ipersensibilità si divide in:
  • Antibiosi ossia la produzione di sostanze tossiche per il patogeno prodotte dalla pianta.
  • Non preferenza ossia il mancato attacco del fitopatogeno su una particolare pianta.

Variabilità genetica intraspecifica

Definizione cultivar

È l’insieme di piante coltivate chiaramente individuabile per qualsiasi carattere (morfologico, fisiologico) che si conserva nelle piante propagate in maniera vegetativa. La cultivar deve essere distinta, stabile ed omogenea. Essa può avere delle degenerazioni che possono essere causate da cause sanitarie e genetiche.

Degenerazione sanitaria: è causata dall’accumulo di virus, viroidi e fitoplasmi. Questa degenerazione può essere curata con:

• Il risanamento che consiste nel trattare una piccola porzione di apice vegetativo in vitro con il calore associata a propagazione degli apici. Il risanamento consiste nel prelevare l’apice vegetativo che è di 0,1-0,2 mm, risanarlo con il calore e inserire in un portainnesto.
• La selezione nucellare che consiste nel risanamento della pianta tramite sviluppo di embrioni di origine somatica (non di origine sessuale) identici alla pianta madre liberi da virus. Questa tecnica sfrutta il fenomeno dell’apomissia (formazione dell’embrione senza fecondazione) ed in particolare si ha la formazione di embrioni originati dalla nucella che si trova nel seme.

Degenerazione genetica: riguarda le mutazioni, ossia cambiamenti a carico delle sequenze delle basi del DNA che possono provocare modificazioni del fenotipo. Si dividono in:

• Mutazioni migliorative che si verificano raramente.
• Mutazioni peggiorative che causano delle conseguenze negative alla pianta.
• Mutazioni neutre che non hanno effetto sul fenotipo.

Le mutazioni che interessano l’apice gemmario sono quelle oggetto di maggior attenzione. Esse possono interessare i caratteri qualitativi (monogenici) come apirenia, assenza di spine, colore foglie, fiore e buccia, e carattere quantitativi (poligenici) come fertilità, produttività e fasi fenologiche. Le mutazioni possono essere:

• Spontanee che si verificano spontaneamente con una frequenza molto bassa.
• Indotte ossia causate artificialmente ed è un metodo classico di miglioramento genetico che prevede l’utilizzo di metodi chimici (colchicina) o metodi fisici (radiazioni ionizzanti). Con questi due metodi si interviene sugli apici gemmari.

Riguardo i metodi chimici, questi prevedono l’utilizzo della colchicina che è un alcaloide estratto dalle piante di Colchicum che interferisce con la mitosi. In particolare, la colchicina si lega alle molecole di tubulina andando a formare nuclei tetraploidi (4n) causando la poliploidia. Quest’ultima è comune in diverse specie da frutto (pero, fragola, banano, kiwi). Le particolarità di queste specie da frutto sono l’aumento delle dimensioni cellulari, il cambiamento nella forma e nella consistenza degli organi e riduzione della fertilità.

Riguardo i metodi fisici, questi si basano sulle radiazioni ionizzanti come i raggi X, raggi gamma che provocano rottura dei legami idrogeno tra le basi, formazioni di dimeri causati da legami tra tiamine e rotture di una o entrambe le catene del DNA. L’utilizzo di queste radiazioni è effettuata presso centri specializzati come l’ENEA e l’INFN. Di solito le marze allevate in vitro si irradiano. Le marze irradiate vengono innestate, e le gemme che si schiudono rappresentano la generazione V1. Dal germoglio V1 si ottengono le gemme V2 che vengono separate e reinnestate. Quando le gemme V2 origineranno germogli, dai quali si origineranno le gemme V3 queste verranno separate e osservate singolarmente. Questa tecnica richiede lunghi tempi (20 anni), si può avere la comparsa di caratteri peggiorativi e la frequenza di mutazioni parziali.

• Geniche, ossia sono mutazioni puntiformi che interessano piccole porzioni del DNA, all’incirca 50 basi.
• Cromosomiche ossia mutazioni che interessano il numero e le dimensioni dei cromosomi.
• Genomiche ossia mutazioni che interessano grandi porzioni del genoma.
• Totali ossia mutazioni che interessano tutto l’organo colpito.
• Parziali ossia mutazioni che interessano solo parti limitate dell’organo. L’organo interessato è l’apice gemmario (cellule non ancora differenziate). Esso è formato da 3 o 5 strati detti istogeni (indicati con L).

Ogni istogeno è responsabile della formazione di specifici tessuti ed organi. L’istogeno L1 è il più esterno e forma le epidermidi dei diversi organi. L’istogeno L2 forma gli organi sessuali e il mesocarpo. L’istogeno L3 forma la parte interna della corteccia e dei vasi legnosi. L’istogeno L4 e L5 formano i tessuti delle radici. Gli istogeni L1-L4 danno mutazioni stabile (che si manifesta il fenotipo), L2-L3 mutazioni poco stabili. Le mutazioni parziali sono chiamate anche chimere e si dividono in:

• Periclinali in cui le cellule mutate corrispondono ad un unico istogeno. Il carattere mutato è stabile.
• Settoriali in cui la mutazione interessa più istogeni di un settore della gemma. La mutazione è stabile se prelevata dal settore mutato, mentre se...