Miglioramento genetico

Definizioni di genetica

Linea pura

Linea pura: termine e concetto introdotti nella genetica da W. L. Johannsen per indicare l'insieme degli individui provenienti, per autofecondazione, da un solo capostipite. Tutti gli individui di una linea pura sono genotipicamente identici, e possono servire per lo studio dell'azione dei fattori ambientali sui caratteri ereditari (selezione) e del valore della selezione come fattore di evoluzione. Le popolazioni di individui esistenti in natura si possono considerare teoricamente come mescolanze di diverse linee pure. Negli animali o piante, in cui è impossibile l'autofecondazione, si può ottenere l'equivalente di una linea pura con successivi matrimoni consanguinei, per un numero adeguato di generazioni.

Omozigote

Omozigote: individuo che, per un determinato carattere mendeliano, sia dominante (AA) che recessivo (aa), presenta geni di origine paterna e materna identici.

Eterozigote

Eterozigote: in genetica, individuo nel quale uno o più caratteri sono determinati da coppie di alleli diversi.

Cromosoma

Cromosoma: struttura filamentosa e allungata costituita da cromatina, presente nel nucleo delle cellule animali e vegetali e visibile solamente durante la fase di divisione cellulare (mitosi e meiosi); consiste in una sola lunga molecola di DNA (o, in alcuni virus, di RNA) e proteine associate, tranne che nelle cellule procariote e nei virus, nei quali non è presente la parte proteica; ha una tipica forma a bastoncino ed è composto da due cromatidi uniti in corrispondenza del centromero; il numero, la forma e la grandezza dei cromosomi sono costanti per ogni specie (nell'uomo sono 46); così chiamati perché questi corpuscoli sono evidenziabili mediante colorazioni.

• Cromosomi omologhi, i cromosomi dotati di patrimonio genetico analogo che si appaiano nel processo di meiosi, essendo l'uno un elemento della coppia di origine paterna, l'altro di origine materna.

Gene

Gene: in biologia, unità funzionale del genoma, localizzata in una zona specifica di un cromosoma (locus), responsabile della trasmissione dei caratteri ereditari; è costituito da una sequenza di DNA che codifica una specifica proteina; negli organismi diploidi è presente in due forme alternative (chiamate alleli) che determinano quale carattere si manifesterà nell'individuo.

• Gene dominante, il cui carattere si manifesta quando è presente sia allo stato omozigote sia allo stato eterozigote.
• Gene recessivo, il cui carattere si manifesta solo nella condizione di omozigosi, in quanto la sua azione allo stato di eterozigote è mascherata da un allele dominante.

Gameti

Gameti: i gameti sono le cellule che si uniscono durante la riproduzione sessuale per formare una nuova cellula, lo zigote, da cui si svilupperà l'embrione. I gameti maschili prendono il nome di spermatozoi, mentre quelli femminili sono chiamati ovociti, ovuli o cellule uovo.

Alleli

Alleli: in biologia, una delle forme alternative che un gene può assumere nel medesimo sito (locus) cromosomico; spesso l'effetto di uno dei due alleli (detto dominante) è prevalente ai fini dell'espressione del carattere, rispetto a quello dell'altro allele (detto recessivo).

Locus

Locus: il termine locus genico (o più semplicemente locus, plurale loci) designa la posizione di un gene o di un'altra sequenza significativa all'interno di un cromosoma.

Crossing over

Crossing over: in genetica, lo scambio di materiale genetico tra cromosomi omologhi che si verifica durante la meiosi e che è responsabile della ricombinazione genetica. Avviene tra segmenti genici localizzati in zone non identiche di due cromosomi omologhi.

Crossover

Crossover: termine usato in genetica per indicare un individuo derivato da un gamete in cui si è compiuto un crossing-over; anche, il sito in cui ha luogo uno specifico crossing-over.

Eterosi

Eterosi: fenomeno per cui gli ibridi tra due linee pure sono più vigorosi, resistenti e produttivi delle linee da cui derivano; è detto anche lussureggiamento degli ibridi.

Miglioramento genetico

Quando si parla di miglioramento genetico, si parla di riproduzione sessuale (autogame e allogame) o di riproduzione asessuata. In base al sistema riproduttivo, le specie possono essere classificate in:

Specie autogame

Specie autogame: dove la riproduzione avviene prevalentemente per autofecondazione. Queste sono caratterizzate da fiori ermafroditi (pistillo e antere nello stesso fiore). Un esempio tipico è dato dai frumenti. Il grano è una specie molto particolare in quanto effettua sia un'autofecondazione ma anche una fecondazione incrociata in quanto le antere a un certo punto durante la fase fenologica della pianta, portano alla fuoriuscita di polline che andrà a fecondare i pistilli non ancora fecondati. La fecondazione incrociata permette di avere variabilità genetica. L'autofecondazione continuata porta ad ottenere degli individui omozigoti, dando così delle problematiche in quanto avremo una bassa variabilità genetica. L'orzo ha un comportamento differente rispetto al grano; in particolare, l'impollinazione avviene quando la pianta si trova nello stadio di botticella; quindi, abbiamo la foglia a bandiera che protegge la spiga, questo significa che effettua tanta autofecondazione ma effettua anche una piccola parte di incrocio (permettendo così di raggiungere i fenomeni di omozigosi).

Specie allogame

Specie allogame: dove abbiamo piante maschie e femmine distinte; la riproduzione avviene prevalentemente per fecondazione incrociata. Queste, quindi, sono piante che si incrociano. Una specie quando produce seme, in prevalenza produce seme da incrocio ma alcune volte questi semi possono derivare da autofecondazione. L'incrocio permette di portare alla produzione di F1 che a loro volta portano alla produzione di F2, poi F2 e così via fino a portare alla produzione di individui omozigoti. Quindi possiamo dire che l'incrocio permette la sopravvivenza delle specie nel lungo periodo.

Specie a propagazione vegetativa

• Poliploidizzazione: è un processo per il quale le piante aumentano il numero di set di cromosomi somatici presenti nelle proprie cellule somatiche (ad esempio, la fragola è un ottoploide). Aumentando il numero di set cromosomici porta a una crisi di meiosi (ecco perché la fragola si trapianta e non si semina. Quindi la pianta, data la sua crisi meiotica, si è adattata per moltiplicarsi per via vegetativa).

È quindi molto importante dire che se non c'è variabilità genetica, non c'è speranza di fare miglioramento genetico. Quindi il sistema riproduttivo è molto importante in quanto in base a questo, si opera in maniera differente nei vari contesti di miglioramento genetico. Dal punto di vista delle autogame, sono molto importanti i frumenti. È molto importante dire che il grano tenero può avere le reste o meno, questo dipende da una mutazione che è presente in un singolo gene. Le reste sono molto importante in quanto effettua l'attività fotosintetica fino alla fine del ciclo. Tra grano duro e tenero, la differenza non è solo morfologica. Il grano duro è tetraploide (ha come formula genomica AABB) il grano tenero è esaploide (con formula genomica AABBDD).

Di recente, sono stati riscoperti anche i frumenti che venivano ad essere coltivati in tempi antichi. Questi frumenti, ad esempio, sono rappresentati dal farro piccolo (triticum monococcum) il quale è in diploide. Questi frumenti antichi, generalmente sono molto rustici sono che hanno delle produzioni nettamente inferiori rispetto ai frumenti moderni. Questo implica la necessità di creare una filiera in modo tale da avere una giusta remunerazione. Un'altra specie antica riscoperta è il farro medio (tiricum dicoccum) questo è il cereale antico più sviluppato questo è un tetraploide. I cereali sono molto particolare in quanto hanno la capacità di emettere sostanze allelopatiche che non permette lo sviluppo di specie infestanti. Infine, abbiamo il farro grande (triticum spelta) ed è esaploide ed è simile quindi al grano duro.

Per quanto riguarda le leguminose, le specie caratteristiche sono: pisello (pisellum sativum) e soia (glycine max).

Richiami di genetica classica e molecolare

Le piante che noi seminiamo in campo o che trapiantiamo, rappresenta la generazione sporofito (2N). Quando andiamo a fare miglioramento genetico, si passa per la riproduzione sessuale (tranne se i due individui sono sessualmente incompatibili, ma in questo caso si interviene in altra maniera). I metodi classici di miglioramento genetico che faremo noi, sono la base con il quale si effettuano le differenti prove di miglioramento genetico.

Gli schemi di miglioramento genetico prendono spunto dalla genetica mendeliana. Mendel effettuò delle prove su pisello ovvero una specie diploide e autogama. Lavorare nelle autogame è più semplice rispetto che a quelle allogame questo perché l'autofecondazione porta al fenomeno di omoziosi in quanto nei cromosomi, abbiamo gli alleli all'interno dello stesso gene che possono essere uguali. (AA invece di Aa). È molto importante dire che in una specie per un determinato gene abbiamo più forme alleliche (da 2 in su) solo che una specie diploide naturalmente ha solo due tipologie di alleli.

È molto importante ricordare che se due geni segregano in maniera indipendente, ottenere un ricombinante è molto più facile rispetto a quando i due geni sono associati. Più vicini sono presenti i geni all'interno del cromosoma, più è difficile avere un ricombinante. Quando si ha due geni vicini tra di loro e si vuole ottenere un ricombinante, bisogna aumentare la dimensione delle popolazione su cui si sta lavorando. Per fare questo, ci aiuta molto la genetica molecolare perché se io so quali sono i geni di interesse, se io so qual è la sequenza allelica che voglio ottenere, non c'è bisogno che aspetto la manifestazione fenotipica di quel determinato carattere (es. non ho bisogno di aspettare la fioritura per vedere il colore del fiore) ma posso fare tutto in laboratorio; in particolare, faccio germinare 100k piante, prendo un pezzettino di foglia, lo vado ad analizzare tramite PCR, vado ad amplificare il gene che mi serve e vado a vedere quali sono le piante che presentano la manifestazione del carattere che mi interessa, poi successivamente faccio continuare a crescere le piante che presentano il carattere che mi interessa.

Nella genetica classica, per trovare un carattere, dovevo andare a trovare prima il carattere fenotipico che mi interessava mediante un osservazione visiva e poi successivamente si andava a fare un'analisi del DNA in modo tale da andare ad individuare il gene che mi codifica per quel determinato carattere. Questa viene ad essere chiamata Genetica Forward (ovvero in avanti) ovvero dal fenotipo che presenta la pianta, vado ad individuare il gene che segrega per quel carattere.

Ad oggi, mediante il sequenziamento del genoma o di una parte di esso, vado a vedere se il gene che mi interessa è presente o meno (es. trovo un gene sul riso (che ha un genoma semplice) e cerco lo stesso gene mediante la genetica molecolare nel frumento e vedo se quel gene presenta il carattere che mi interessa) questa viene ad essere chiamata Genetica Reverse ovvero dal gene riesco a capire quale tipologia di fenotipo presenterà quella pianta.

È molto importante dire che i dati genomici sono stoccati all'interno di una banca dati. Questo ci permette di risalire mediante analisi genomica al fenotipo di una pianta, questo per quanto riguarda la parte qualitativa (fiore giallo o verde etc.).

I caratteri qualitativi sono caratteri a controllo genetico semplice ovvero abbiamo uno o pochi geni che codificano per quel carattere. Molti caratteri di interesse agronomico sono caratteri quantitativi ovvero abbiamo molti geni che codificano per quel carattere. I caratteri quantitativi si gestiscono in maniera differente: inizialmente si utilizzavano metodi statistici andando ad effettuare l'analisi della varianza. Questo perché ci potevano essere dei casi dove i risultati ottenuti dalla sperimentazione potevano essere influenzati dagli effetti ambientali (es. piccola presenza di terreno migliore che porta a una maggiore produzione). Gli schemi sperimentali che venivano ad essere adottati consistevano nell'andare a scomporre la variabilità fenotipica totale in una componente dovuta alle differenze genetiche e in una componente ambientale.

Oggi grazie all'ingresso dei marcatori molecolari e il sequenziamento del genoma, ha portato a una facilitazione nell'analisi quantitativa dei vari geni. Il vantaggio di andare ad effettuare una scansione del genoma, ci permette di facilitare i programmi di miglioramento genetico in quanto possiamo sapere qual è il gene di interesse e in base agli alleli presenti, posso determinare che tipo di carattere mi verrà manifestato. I marcatori molecolari ci permettono di andare ad individuare dei geni che non vengono ad essere manifestati nel fenotipo; questo è di fondamentale importante nel mondo del miglioramento genetico in quanto mi permette di andare ad individuare la presenza dei geni nei vari soggetti su cui si sta lavorando.

Genetica applicata alle specie autogame

È molto importante dire che la genetica si è fondata sulle specie autogame. Lavorare con specie autogame è più semplice perché se io raccolgo il seme da una specie autogama, allora tutto il seme che si raccoglie, sarà geneticamente identico alla pianta madre; questo discorso varrà anche per le generazioni successive. Il miglioramento genetico si effettua andando a prendere alleli favorevoli in più genotipi diversi e metterli insieme in un unico genotipo. Questo è possibile solo andando ad effettuare un incrocio. Questo viene ad essere effettuato andando a eliminare le antere nei fiori che si vogliono far diventare solo femminili, si eliminano lo stigma (quindi vado a eliminare la parte femminile) dei fiori maschili. Questo fenomeno prende il nome di emasculazione. Si effettua l'incrocio e quindi si ottiene la generazione F1.

Nella F1 le piante sono tutti eterozigoti (o meglio, più o meno altamente eterozigoti. Questo dipende da quanto erano diverse le linee parentali perché più geni con alleli diversi erano presenti nei due parentali e più eterozigoti è la F1). È molto importante dire che nella generazione F1 le piante non si selezionano in quanto tutte le piante F1 hanno lo stesso genotipo. La selezione si effettua dalla F2 in poi. Quando effettuiamo l’incrocio, dobbiamo emasculare il fiore femminile e raccogliere il polline dal fiore maschile e andare ad effettuare la fecondazione. Un grosso aiuto della genetica molecolare viene data nel momento in cui il genetista effettua l’incrocio, questo perché i marcatori molecolare o le tecniche di genetica molecolare ci permettono di fare uno screening per vedere se ci sono dei semi ottenuti da autofecondazione. Esempio: il carattere seme liscio e rugoso dei pisello; in questo caso la mutazione che ha permesso di ottenere il seme rugoso, è stata ottenuta grazie a una grossa inserzione a livello del DNA. Il seme rugoso è un vantaggio in quanto abbiamo un minor accumulo di amido e ci permette di ottenere un seme di ottima qualità per il consumo fresco.

Un metodo di applicazione della genetica molecolare consiste nell’andare ad effettuare un’analisi PCR. In questo caso l’allele mutato (quindi genotipo rr) porta alla formazione di una banda che si trova più in alto rispetto all’allele naturale (RR). Questo significa che in caso di un individuo che presenta un genotipo eterozigote, abbiamo la presenza di entrambe le bande (sia in alto che in basso) in quanto il genotipo è di tipo Rr. Se l’emasculazione non è avventata in maniera ideale, non avremo il 100% di individui F1 ma possiamo avere anche degli individui omozigoti. I marcatori molecolari, quindi, impediscono che questo fenomeno si verifichi. Questo screening viene ad essere effettuato andando a seminare tutti i semi della generazione F1; andiamo a far germinare, andiamo a prendere un pezzettino di foglie e l’andiamo ad analizzare mediante un’analisi PCR. Se andiamo ad individuare delle piante omozigoti, andiamo ad eliminare la piantina germinata.

Nella generazione F2 ottenuto dai parentali eterozigoti (Rr), avremo una manifestazione fenotipica di tipo 3(liscio):1(rugoso); mentre dal punto di vista genotipico avremo una segregazione 1(RR):2(Rr):1(rr). Per vedere se il rapporto di segregazione è 3:1 allora devo andare a fare il test del X² (in questo caso ho 1 grado di libertà). Lo stesso discorso si può fare per la segregazione genotipica 1:2:1 tramite la PCR (in questo caso quando faccio l’analisi del X², ho 2 gradi di libertà).

Le basi del miglioramento genetico delle specie prevalentemente autogame

Per i genetisti è importante conosce il sistema riproduttivo di una specie perché gli schemi di miglioramento genetico sono differenti tra di loro. Domanda esame: esempio di qualche specie autogama o allogama (ricordare la vicia fava con le sue sottospecie). La maggior parte delle specie leguminose è autogama. Esse non vengono molto coltivate in Italia e la maggior parte dei prodotti viene importato dall’estero. Le leguminose hanno la capacità di fissare l’azoto nel suolo. Esse non richiedono quindi le concimazioni azotate. Permettono quindi di ridurre l’utilizzo di concimi azotati. Parlando di miglioramento genetico, il miglioramento per esempio dei cereali è andato alla grande mentre per le leguminose a causa delle produzioni scarse, il miglioramento genetico procede a rilento.