Miglioramento Genetico Vegetale

Introduzione al miglioramento genetico

Principi di statistica applicata alla biologia

I dati in uno studio biometrico sono generalmente basati sull'osservazione di individui appartenenti a una popolazione. Una popolazione, da un punto di vista statistico, può essere considerata come un insieme di infiniti elementi, comprendente tutti i valori attribuibili a una determinata variabile.

Il campione è una porzione della popolazione e affinché sia rappresentativo, deve essere estratto a caso e costituito da un numero di elementi tale da rappresentare al meglio la popolazione. Più il campione è grande e più le inferenze effettuate sulla popolazione sono attendibili. Generalmente, il compromesso tra il numero degli elementi del campione e l'attendibilità della stima, si raggiunge con un’indagine campionaria condotta su almeno 60 elementi (parcella).

L’errore sperimentale è una misura della variabilità osservata tra le misure. Per stimare l’errore sperimentale, si provvede a ripetere più di una volta il trattamento; in questo caso l’esperimento viene detto replicato (più si fanno repliche, più diventa precisa la stima dell’errore sperimentale). Inoltre, posso ripetere gli esperimenti per più anni e più località in maniera randomizzata.

I test parametrici si applicano a distribuzioni di dati con caratteristiche quantitative ed utilizzano indici statistici quali la media, la devianza e la varianza. Affinché possano essere utilizzati, i dati relativi ai diversi campioni devono essere tra loro indipendenti e presentare una distribuzione normale. I più comuni metodi parametrici sono rappresentati dal test di Student e dall’analisi della varianza:

• Il test di Student è utilizzato nel confronto tra le medie di due campioni.
• L’analisi della varianza o ANOVA (Analysis of Variance) permette di confrontare anche più di due campioni e di indagare più a fondo sulle fonti di variabilità che determinano le differenze dei diversi gruppi.

I test non parametrici possono essere applicati anche a distribuzioni che presentano caratteri qualitativi. Il più comune metodo statistico non parametrico è il saggio del chi-quadrato (X²) di Pearson.

Pratica della selezione

La variabilità presente nelle popolazioni, sulla quale si fa leva con la selezione, ha un diverso significato a seconda che si tratti di specie autogame, allogame o a propagazione vegetativa:

• Specie autogame: la variabilità genetica è distribuita tra un gran numero di genotipi omozigoti e pochi cicli di selezione per un determinato carattere (qualitativo e quantitativo) sono in grado di esaurire la variabilità genetica libera.
• Specie allogame: il discorso cambia radicalmente in quanto gli individui appartenenti a queste popolazioni sono altamente eterozigoti. La risposta alla selezione praticata entro tali popolazioni, qualora si tratti di caratteri poligenici, può continuare per più generazioni.

In un programma di miglioramento genetico per la costituzione varietale, dopo aver definito le caratteristiche peculiari che dovrà presentare la nuova varietà ed aver individuato i materiali vegetali più idonei, il costitutore deve scegliere gli individui che daranno origine alla generazione successiva e stabilirne il metodo di riproduzione. La scelta degli individui autorizzati a riprodursi non può essere effettuata soltanto in base al fenotipo ma deve tener conto del tipo di controllo genetico dei caratteri oggetto di selezione.

Le problematiche che il miglioratore deve affrontare nella scelta degli individui sono molteplici e di diversa natura a seconda del sistema riproduttivo che caratterizza la specie coltivata (autogamo o allogamo) e del tipo di caratteri per i quali viene effettuata la selezione (monogenici o poligenici).

Le risposte alla selezione per i caratteri qualitativi o monogenici sono in genere piuttosto semplici e prevedibili. È sufficiente conoscere se i diversi alleli del locus che controlla il carattere hanno dominanza completa, incompleta o assenza. I tipi più comuni di risposte dipendono dal differenziale di selezione (S) e dall’ereditabilità (h²) del carattere considerato: così la risposta (R) o guadagno della selezione è dato da: R=S*h².

Gli esperimenti di selezione per un carattere quantitativo o poligenico sono piuttosto complicati a causa soprattutto delle interazioni che si instaurano tra i geni coinvolti e l'ambiente. Sono fondamentalmente di tre tipi:

• Selezione in una direzione senza alcuna popolazione di controllo (selezione ricorrente semplice).
• Selezione in una direzione con una popolazione di controllo.
• Selezione nelle due direzioni opposte (selezione divergente) con una popolazione di controllo.

Nei programmi di miglioramento genetico difficilmente si pone l’attenzione soltanto su un singolo carattere alla volta, in genere si seleziona contemporaneamente per più caratteri. La risposta alla selezione per più caratteri dipende dalle relazioni genetiche tra loro esistenti e dalla loro importanza relativa nel determinare il valore agronomico della pianta.

Per quanto riguarda il primo aspetto, le caratteristiche da migliorare possono essere indipendenti oppure legate da correlazioni positive o negative. Così se la selezione ha lo scopo di incrementare il valore medio di caratteristiche favorevoli, una loro correlazione positiva risulterà vantaggiosa in quanto la selezione per un carattere porta automaticamente ad un miglioramento degli altri caratteri ad esso correlati. Invece, se la selezione riguarda un carattere favorevole correlato negativamente con un altro carattere favorevole, la selezione a favore del primo danneggia il secondo. È questo il caso della produttività e della qualità: in molte specie coltivate, quando si migliora la produttività si ha una perdita di qualità del prodotto.

Da un punto di vista pratico, le risposte più comuni che si ottengono con il lavoro di selezione sono le seguenti:

• Risposta immediata che si esaurisce rapidamente (es. resistenze, caratteri qualitativi).
• Risposta iniziale rapida e successivamente lenta (es. altezza delle piante. Il carattere in oggetto è determinato da pochi geni importanti (geni major) e da numerosi geni (minor) risposta non molto evidente ma costante nel tempo).
• Risposta lenta ma costante nel tempo (es. contenuto di olio e di proteine nella cariosside in mais. Caratteri sotto il controllo di tantissimi geni con piccoli effetti genetici di tipo additivo).
• Risposta limitata o nulla (es. produttività nelle foraggere. Il carattere in oggetto presenta una scarsa variabilità genetica di tipo additivo e quindi bassa ereditabilità).

Il carattere genetico per il quale si seleziona più frequentemente nelle piante coltivate è la produttività, la cui interazione con l’ambiente determina la produzione. Data la complessità genetica del carattere, caratterizzato da bassa ereditabilità, i costitutori varietali raggiungono l'incremento produttivo selezionando per altri caratteri più semplici quali, ad esempio, l’altezza della pianta, la robustezza dell’apparato radicale, la resistenza a stress biotici o abiotici e la fertilità dei fiori.

I caratteri principali per i quali si effettua la selezione sono (in ordine di importanza):

• La produttività, le epoche di spigatura, fioritura e maturazione.
• La resistenza all’allettamento, agli stress termici, agli agenti patogeni (insetti, funghi, batteri e virus).
• La qualità.

Sistemi, barriere e controllo genetico della riproduzione

Introduzione

Il modo in cui si sono originate le piante coltivate e gli animali domestici e le differenze tra le proprietà del materiale selvatico originale e le razze domestiche furono discusse da Darwin nel suo famoso libro “Animals and Plants Under Domestication” del 1868. Secondo Darwin, le razze domesticate possono originarsi per selezione di varianti genetiche con caratteristiche ricercate dall’uomo. Le operazioni che il breeder può attuare allo scopo di migliorare le caratteristiche di interesse economico sono assimilabili ai fattori dell’evoluzione che operano in natura. Sostanzialmente, la differenza sta nel fatto che nel miglioramento genetico gli stessi fattori vengono regolati artificialmente dal breeder; si hanno così la selezione artificiale in sostituzione o assieme a quella naturale, la mutagenesi indotta, anziché solo quella spontanea, ecc.

Come modificare le caratteristiche delle piante? Utilizzando:

• Variabilità genetica disponibile [da sempre, circa 10 000 anni fa]
• Mutagenesi chimico-fisica [circa 1950-60]
• Eteriosi [circa 1930-60]
• Piante geneticamente modificate (aumento della variabilità) [circa 1985]

Sistemi riproduttivi delle piante

Nelle angiosperme, la parte più appariscente del fiore è il perianzio, ma i suoi elementi essenziali per la riproduzione sono l'androceo e il gineceo, dove vengono formati i gameti maschili e femminili (gametogenesi) ed avviene la loro fusione (fecondazione) che porta alla formazione del seme gamico. Queste piante sono caratterizzate dalla doppia fecondazione: un nucleo spermatico si fonde con la cellula uovo producendo lo zigote diploide (n+n), mentre l'altro nucleo spermatico si unisce con il nucleo secondario del sacco embrionale generando così l'endosperma triploide (n+2n).

La formazione dei fiori e degli organi riproduttivi nelle piante dipende dai geni omeotici che in una regione della pianta intervengono modificandone il corso dello sviluppo e determinando la differenziazione dei verticilli fiorali (sepali, petali, stami e carpelli). Tali geni contengono un dominio altamente conservato o MADS-box. Lo studio di mutanti omeotici ha permesso di formulare l'ipotesi che ogni verticillo fiorale sia specificato da una combinazione unica di espressione di tre geni responsabili dell'identità degli organi fiorali (modello classico ABC). Secondo tale modello, questi geni codificano per fattori di trascrizione di altri geni i cui prodotti sono a loro volta più direttamente coinvolti nella formazione dei singoli verticilli fiorali. In seguito è stato proposto l'intervento dei geni D e E che controllano, rispettivamente, lo sviluppo degli ovuli e di petali, stami e carpelli (modello A-E).

Nel complesso, la specificazione dell'identità degli organi fiorali sembra rispondere a un modello nel quale quattro diverse combinazioni di quattro diverse proteine omeotiche possano determinare l'identità dei quattro organi fiorali (modello a quartetti). Evidenze molecolari suggeriscono anche che l'espressione differenziale dei geni B possa rappresentare il meccanismo principale di determinazione del sesso nelle piante.

La riproduzione può essere:

• Sessuata (anfimissia): le specie si distinguono in prevalentemente allogame e prevalentemente autogame a seconda che i gameti provengano dallo stesso individuo oppure siano prodotti da due individui diversi.
• Asessuata (apomissia).

Le popolazioni di specie allogame sono costituite da individui altamente eterozigoti con un pool di geni combinati in varia maniera in ciascuna generazione. Tipica nelle erbacee di regioni temperato-fredde. Le popolazioni di specie autogame sono costituite da una mescolanza di linee omozigoti che restano indipendenti nella riproduzione. Tipica nelle perenni di aree caldo-aride con piogge stagionali.

Il significato evolutivo dell’impollinazione incrociata è dato da:

• Capacità di competizione in situazioni nelle quali coesistono più specie.
• Possibilità di diffusione in nuove aree adatte solo a determinate combinazioni genotipiche.
• Sopravvivenza in ambienti soggetti a frequenti modificazioni.

Nelle piante, la separazione dei sessi è relativamente rara, verosimilmente in rapporto all’assenza di motilità che può rendere problematici l’incontro di individui di sesso diverso. Riguardo alla collocazione degli organi riproduttivi, le specie vegetali si distinguono in:

• Dioiche: con fiori staminiferi e pistilliferi portati da individui distinti, impone la fecondazione incrociata.
• Monoiche: con fiore dei due tipi presenti sullo stesso individuo in posizioni diverse (dicline) o con organi maschili e femminili (stami e pistilli) riuniti a costituire un fiore completo o ermafrodita (monocline).

L’autogamia è tipica delle specie monoiche con fiori ermafroditi ed è quasi sempre collegata alla cleistogamia, che si verifica quando impollinazione e fecondazione hanno luogo a fiore ancora chiuso. Comunque, possono verificarsi meccanismi che favoriscono l’autoimpollinazione anche con polline maturo e stigma recettivo. Nelle specie con fiori perfetti, l’incrocio può essere consentito o facilitato da particolarità degli organi riproduttivi, quali la posizione relativa dello stigma e delle antere. Ciò è caratteristico di forme a impollinazione entomofila, come molte leguminose, nelle quali si è evoluta una complessa struttura fiorale, capace di attirare gli insetti e di costringerli a operare il trasporto del polline. Spesso sono presenti meccanismi genetici che inibiscono la fecondazione sia tra fiori dello stesso individuo sia fra individui distinti, ma di eguale genotipo. Gli altri meccanismi più efficienti per favorire l’allogamia sono:

• L’autoincompatibilità: dipende da fattori genetici che impediscono al polline incompatibile di accrescere il tubetto pollinico lungo lo stilo e di effettuare la fecondazione per la presenza di ostacoli morfo-fisiologici.
• La maschiosterilità: produzione di gameti maschili non funzionali e nella mancata produzione di gameti maschili e può essere controllata da geni nucleari, mitocondriali o da entrambi i tipi.

Metodi di propagazione delle piante e struttura genetica delle popolazioni

Introduzione

La propagazione è la tecnica mediante la quale le piante, sia erbacee che arboree, possono essere perpetuate nello spazio e nel tempo. Esistono due tipi di propagazione:

• Gamica (o sessuata o riproduzione) => per seme:
  • Vantaggi:
    • Sanità del materiale (semi in genere sono esenti da virosi).
    • Variabilità genetica (vantaggio a livello evolutivo e per miglioramento genetico).
    • Maggiore rusticità, cioè maggiore capacità di adattamento all'ambiente.
  • Svantaggi: Variabilità genetica della progenie e cicli colturali più lunghi.
• Agamica (o asessuata o vegetativa o moltiplicazione) => per talea, innesto, margotta, propaggine, per organi di riserva, per micropropagazione:
  • Vantaggi:
    • Identità genetica, morfologica e funzionale tra progenie e pianta madre.
    • Possibilità di costituire gruppi omogenei con evidenti vantaggi dal punto di vista colturale.
    • Velocità di propagazione (non è necessario aspettare che la pianta abbia raggiunto la fase di maturità).
  • Svantaggi: Difficoltà operative nel caso di molte specie (tecnica più dispendiosa della riproduzione) e facile propagazione delle malattie (virosi, malattie del legno...).

Dal momento che la singola pianta clonata viene coltivata, assume anche il nome di cultivar (cultivated variety) definita come: “un insieme di piante coltivate, chiaramente distinto da qualsiasi carattere, che quando riprodotto (per via sessuata o asessuata), conserva i propri caratteri distintivi.”

In natura: è predominante la riproduzione sessuata dato che consente vantaggi in termini evolutivi: variabilità genetica e facile disseminazione.

In agricoltura: anche in questo caso è predominante la riproduzione sessuata (cereali, ortaggi), ma lo sforzo è quello di diminuire la variabilità genetica attraverso la produzione di linee pure ed ibridi F1 o attraverso la moltiplicazione, soprattutto nel caso di piante con fase giovanile molto lunga (piante arboree da frutto).

L’uso della propagazione vegetativa ha avuto probabilmente inizio nel 3°- 4° millennio a.C., coincidente con l’Età del Bronzo, presso le civiltà del Mediterraneo orientale, quando i frutti di alcune specie come l’olivo, la vite, la palma da datteri, il fico entrarono a far parte integrante dell’alimentazione, fino ad allora basata esclusivamente sui cereali.

Tecniche di semina e trapianto:

• Semina: costi ridotti e facile meccanizzazione, coltura poco uniforme, emergenza/insediamento della coltura più difficile, ciclo colturale più lungo, minore competitività nei confronti di infestanti, è possibile impiegare la pacciamatura.
• Trapianto: maggiori costi e più difficile meccanizzazione, coltura più uniforme, insediamento della coltura più facile, ciclo colturale più breve, maggiore competitività nei confronti di infestanti.

Micropropagazione o propagazione in vitro

Porzioni multicellulari di una pianta (espianti) o singole cellule (protoplasti, microspore) possono in vitro, con adeguati substrati e condizioni colturali, rigenerare piante complete. Le colture in vitro rappresentano la metodica di base della micropropagazione e anche un supporto essenziale per la trasformazione genetica.

La micropropagazione, analogamente ai tradizionali sistemi di propagazione vegetativa, consente la produzione di cloni e consiste nella moltiplicazione vegetativa in vitro di piante attraverso la coltura di loro espianti. Questa tecnica sfrutta la totipotenza delle cellule vegetali, permettendo di ottenere un elevato numero di piante geneticamente identiche tra loro e alla pianta madre, anche disponendo di limitate quantità di materiale iniziale. L'attitudine alla micropropagazione è fortemente condizionata dal genotipo, anche se può essere incrementata ottimizzando la composizione del substrato di coltura. Ha numerosi vantaggi:

• Moltiplicare specie a difficile radicazione in tempi e spazi ridotti, propagare specie a lenta moltiplicazione.
• Programmare più correttamente la produzione, svincolando dai problemi ambientali-naturali.