Riassunto completo per esame miglioramento genetico delle piante e tracciabilità

Sistemi, barriere e controllo genetico della riproduzione

Maschiosterilità e femminasterilità

La mancanza di funzionamento di organi maschili o femminili in una pianta a fiori ermafroditi determina conseguenze simili al diocismo (fiori maschili e fiori femminili su due piante diverse) poiché l'unica possibilità di riproduzione è data dall'incrocio. La presenza di individui sterili è sporadica, ma non proprio eccezionale.

La femminasterilità è quando vengono prodotti gameti femminili sterili. Questo può essere causato da fattori ambientali o genetici, quali anomalie del numero e della struttura dei cromosomi, mutazioni geniche o interazioni di fattori citoplasmatici. L'attenzione verso la femminasterilità è stata limitata in quanto associata all'incapacità di una pianta di produrre semi. La sterilità femminile è stata associata con l'incapacità degli ovuli di svilupparsi regolarmente oppure all'irregolarità della meiosi o anche dovuta alla mancanza funzionalità del sacco embrionale.

Questo carattere, però, può avere una certa utilità per due ragioni: il superamento della sterilità femminile per incrementare la produzione di seme e l'utilizzazione per la sua manipolazione al sistema riproduttivo. Infatti, la conoscenza del controllo genetico della femminasterilità e l'isolamento dei geni che la determinano possono consentire applicazioni vantaggiose, ad esempio, piante femminasterili hanno una certa utilità nelle specie da fiore, per aumentare la durata dei fiori recisi. L'incapacità di produrre semi può essere vantaggiosa anche nel caso di colture transgeniche il cui prodotto commerciale non è rappresentato dal seme.

La maggiore attenzione è stata comunque rivolta alla maschiosterilità. La maschiosterilità consiste nella produzione di gameti maschili non funzionali o nella mancata produzione di gameti maschili. Linee portasemi maschiosterili sono utilizzate per la produzione di ibridi commerciali, sia di specie allogame che autogame, ma le mutazioni che riguardano la sterilità maschile compaiono raramente. I mutanti maschiosterili sono deleteri per le popolazioni naturali, sfruttabili per la produzione commerciale di seme ibrido.

La maschiosterilità può essere dovuta a fattori diversi: gli stami possono risultare assenti, trasformati oppure deformi mostrando antere ridotte o prive di polline, se queste quindi non producono polline, risultano sterili. In altri casi il polline risulta apparentemente normale, ma non risulta funzionale, cioè è incapace di germinare. In alcune specie (mais, pomodoro, orzo) è stato notato che l'associazione di diversi geni difettosi che riguardano la fertilità maschile portano a questo fenomeno (nel mais sono noti almeno 20 geni responsabili del fenotipo maschiosterilità).

Maschiosterilità genetica

La maschiosterilità genetica è controllata da un singolo gene nucleare allo stato recessivo (ms) e si può trovare in alcune specie come pomodoro, peperone, fagiolo, erba medica, girasole, melone, orzo e mais. Un inconveniente che limita lo sfruttamento di questo tipo di maschiosterilità per la produzione di seme ibrido è rappresentato dalla natura ereditaria del fenomeno che rende impossibile ottenere progenie composte unicamente da piante maschiosterili (ms), perché queste piante, per essere mantenute devono incrociarsi con delle maschiofertili (Ms) formando eterozigoti (Msms). Così facendo, i semi ottenuti la metà saranno maschiosterili (msms) mentre l'altra metà maschiofertili (Msms).

msms x Ms Ms = Ms ms (100% maschiofertili)
Msms x msms = 50% ms ms (maschiosterili) e 50 % Ms ms (maschiofertili)

Maschiosterilità citoplasmatica

La maschiosterilità può essere dovuta anche a fattori aventi la loro sede nel citoplasma, per questo è definita citoplasmatica ed è controllata da geni mitocondriali. Questo tipo di maschiosterilità è trasmessa per via materna (cioè per la pianta che porta i semi). Questo tipo di pianta possiede un particolare citoplasma sterile (S) che produce semi con piante impollinatrici con citoplasma normale (N). Da questa progenie, visto che i semi sono sulla pianta maschiosterile, saranno tutti maschiosterili e questo permette la possibilità di ottenere una progenie del tutto maschiosterile e per questo è stata rivolta una maggiore attenzione rispetto a quella genetica per la produzione di sementi ibride.

S (sterile porta-seme) x N (normale impollinatrici) = S (tutti individui maschiosterili)

Maschiosterilità genetico-citoplasmatica

La maschiosterilità genetico-citoplasmatica risulta dall'interazione di fattori nucleari e citoplasmatici. Le piante con citoplasma S (sterile) possono essere non maschiosterili se c'è la presenza di particolari geni, detti ristoratori (R) che permettono la produzione di polline funzionale, sovrapponendosi all'azione sterilizzante del citoplasma S e che quindi possono ripristinare del tutto o in parte la fertilità maschile. Gli individui, che presentano almeno un R (Rr o RR) sono maschiofertili, indipendentemente se il citoplasma sia S o N.

Prendendo quindi come porta-seme una pianta maschiosterile (quindi con S al citoplasma e rr ai geni) possiamo avere 3 diversi tipi di semi in base all'impollinatore che si usa:

• 100% maschiosterili, quando l'impollinatore non è dotato di geni ristoratori (rr)
• 100% maschiofertili quando l'impollinatore è omozigote con geni ristoratori (RR)
• 50% maschiosterili e 50% maschiofertili con l'impollinatore eterozigote con un allele ristoratore (Rr)

MASCHIO X FEMMINA F1
S rr N rr S rr 100% maschiosterili
S rr S RR S Rr 100% maschiofertili
S rr N RR S Rr 100% maschiofertili
S rr S Rr 50% S rr (ms) 50% S Rr (mf)
S rr N Rr 50% S rr (ms) 50% S Rr (mf)

La maschiosterilità citoplasmatica si esprime durante la gametogenesi, dopo la divisione meiotica. L'accrescimento delle antere è ridotto e le cellule evidenziano anomalie dello sviluppo, riconducibili a difetti nei processi di nutrizione delle microspore. La maschiosterilità genetico-citoplasmatica è stata notata per la prima volta nel lino e sono stati notati anche in alcune specie di frumento.

Struttura genetica delle popolazioni

Le caratteristiche del materiale ereditario possono essere studiate a diversi livelli: singolo individuo, gruppo di individui di una progenie e di una popolazione. Le proprietà del gene nell'individuo sono indicate dal carattere che il gene controlla, come la sintesi di un enzima, la presenza o l'assenza di un pigmento o la forma di un organo. Le proprietà di un gene possono riguardare le relazioni di dominanza o recessività. Nelle popolazioni è possibile studiare la frequenza caratteristica di un particolare gene presente in molti o pochi individui.

La genetica di popolazione si occupa dell'eredità dei caratteri controllati da uno o più geni in gruppi di individui e si basa sui principi mendeliani a livello di popolazione. Questa genetica studia la frequenza dei geni e dei genotipi a livello di popolazione e le variazioni che tali frequenze possono subire nel corso di generazioni successive.

Struttura genetica delle popolazioni naturali

Una popolazione è costituita da un insieme di individui la cui successione nel tempo è assicurata dal susseguirsi delle generazioni, esso dipende dalla riproduzione. Nel passaggio da una generazione all'altra si osservano due fenomeni caratteristici che sono l'eredità e la variabilità. La trasmissione dei caratteri fa in modo che la discendenza sia molto simile ai genitori e tra di loro, tuttavia, un individuo può mostrare alcune differenze rispetto ai genitori.

Inoltre, le piante hanno a seconda della specie, un diverso grado di eredità e variabilità, in base se queste siano allogame, autogame o che si moltiplicano per apomissia o parti vegetativa. Dalla struttura genetica delle popolazioni dipendono le strategie di miglioramento genetico, le varietà che possono essere costituite e la produzione commerciale del seme che devono essere attuati.

La genetica di popolazione è la disciplina che studia la frequenza dei geni in gruppi di individui, basandosi sull'applicazione dei principi mendeliani a livello di popolazione. Un gruppo di individui in cui gli alleli a singoli loci seguono le leggi dell'eredità mendeliana costituisce una popolazione mendeliana (dominanza e recessività, modello di segregazione, posizione sul cromosoma rispetto ad un altro gene).

In presenza di dominanza gli alleli possono essere indicati con una lettera maiuscola e minuscola dell'alfabeto (A, a) mentre in assenza di dominanza con una lettera più un simbolo o un indice numerico (A A', a a', A1 A2, a1 a2). Secondo Dobzhansky, una popolazione si identifica con un gruppo di individui sessuati ed interfertili che condividono un pool genico, cioè un insieme di alleli comune.

Le popolazioni naturali di specie propagate vegetativamente presentano una variabilità piuttosto contenuta poiché sono generalmente costituite da singoli cloni o da una loro mescolanza. Nuova variabilità in queste popolazioni può comunque insorgere attraverso il seme, a meno che la riproduzione sessuale non risulti completamente assente, come nel caso delle specie apomittiche obbligate. Le anfimittiche sono invece caratterizzate da una grande variabilità. Le autogame (frumento, tabacco, pisello), si riproducono soprattutto con l'autofecondazione, le allogame (mais, erba medica, patata) soprattutto con la fecondazione incrociata, dove la variabilità nelle allogame è generalmente più grande.

Dinamica delle popolazioni

Un altro elemento che ha notevoli ripercussioni sulla struttura genetica delle popolazioni concerne la variazione che il numero dei componenti delle popolazioni subisce in generazioni successive per effetto della lunghezza del ciclo vitale caratteristico della specie. Il numero di individui che compongono una popolazione può variare nel tempo e nello spazio, cioè in generazioni diverse e in ambienti diversi. I processi che provocano tali cambiamenti sono gli elementi della dinamica di popolazioni e l'aspetto più importante è rappresentato dalla lunghezza del ciclo vitale: le specie annuali nascono, si sviluppano e dopo la riproduzione muoiono senza sovrapposizione del ciclo vitale dei parentali, nei poliennali si ha invece una sovrapposizione del ciclo vitale tra parentali per periodi di tempo che possono essere anche molto lunghi.

Il tasso di riproduzione (w) equivale al valore adattivo e alla capacità riproduttiva di un individuo e si indica col termine fitness (w) ed è misurato come contributo di individui dato alla discendenza. La conoscenza della fitness media (w) consente di formulare ipotesi circa la sua dinamica nel tempo: la popolazione si estingue quando w < 1, aumenta in maniera esponenziale se w > 1 e rimane costante quando w = 1 nelle discontinue (annuali) e w = 0 nelle continue (poliennali).

Nelle popolazioni naturali l'estinzione è un fenomeno che si verifica piuttosto raramente ed è spesso riconducibile a cambiamenti ambientali consistenti che pregiudicano la capacità di adattamento degli individui. Anche l'esplosione, cioè l'aumento considerevole è un fenomeno poco frequente come conseguenza della competizione che si instaura tra individui di uno stesso ambiente nel corso delle generazioni. Altro aspetto importante è connesso al tipo di riproduzione, nelle autogame infatti la differenza tra generazioni non è molto influente, mentre nelle allogame è più consistente (visto che queste si incrociano). Nelle popolazioni a generazioni continue può verificarsi anche l'unione tra individui parentale e individui appartenenti a una o più discendenze diverse, mentre non è possibile nelle generazioni discontinue dove le unioni interessano unicamente gli individui della stessa discendenza.

Struttura genetica delle popolazioni di specie apomittiche e a propagazione vegetativa

Le popolazioni di specie apomittiche e di specie propagate vegetativamente sono composte da uno o più gruppi di piante geneticamente identiche tra loro, derivate da un unico capostipite per semi apomittici o di parti vegetative (rizomi, bulbi, tuberi e stoloni). Le popolazioni naturali sono costituite da una mescolanza di cloni (popolazioni multiclonali o policlonali). Sia la riproduzione asessuata che la propagazione vegetativa permettono la clonazione e la rapida selezione degli individui con elevata adattabilità all'ambiente, ma presentano bassa variabilità ambientale, salvo l'insorgenza di mutazioni spontanee. Il rilascio di variabilità avviene, tutte le volte che si ricorre al seme, mentre nel caso di specie apomittiche, in seguito a eventi sessuali occasionali, in questo caso, il processo riproduttivo comporta anche la formazione di una quota considerevole di individui con bassa vitalità o adattabilità all'ambiente.

Struttura genetica delle popolazioni di specie prevalentemente autogame

Le popolazioni naturali di specie autogame sono costituite da una mescolanza di linee omozigoti (linee pure) strettamente imparentate che, sebbene viventi l'una accanto all'altra, rimangono più o meno indipendenti nella riproduzione. Queste popolazioni sono il risultato di infinite generazioni di autofecondazione e si possono pertanto supporre omozigoti a tutti i loci. Ciascun individuo possiede la capacità di autofecondarsi ed è quindi in grado di dar vita a una discendenza uniforme, cioè una linea pura.

Oltre all'autofecondazione le piante tollerano l'unione tra individui imparentati (inbreeding) e presentano un ottimo adattamento all'ambiente ma sono poco flessibili nei cambiamenti. L'incrocio occasionale e la mutazione spontanea sono i due principali fattori che si oppongono al raggiungimento di omozigosi a tutti i loci, tali fattori, creando una nuova variabilità, danno infatti alla popolazione la possibilità di evolversi e di adattarsi a condizioni ambientali variabili. La maggior parte dei tipi mutati viene eliminata dalla pressione selettiva naturale quando si manifestano, poiché è improbabile che entrambi gli alleli ad un locus subiscano lo stesso cambiamento, risulta che la mutazione insorge allo stato eterozigote ed essendo di norma recessiva, l'allele selvatico si comporta da dominando e questa mutazione si esprimerà solo in condizione omozigote.

La percentuale di eterozigoti, formatosi per incrocio occasionale o mutazione, si dimezza e quella degli omozigoti aumenta invece progressivamente. La quota di eterozigoti dopo "n" generazioni di autofecondazione è quindi pari a: x = (1/2)ⁿ. Uno dei primi ricercatori a fornire informazioni sulle mutazioni fu Stadler che studiò la frequenza di alcune mutazioni spontanee a carico del mais, perché l'esame delle cariossidi di una sola spiga è sufficiente a definire parecchie centinaia di genotipi. I dati suggeriscono che la frequenza delle mutazioni spontanee è molto bassa e il tasso mutazionale risulta variabile tra 10^-4 e 10^-7 per generazione. Sebbene la loro insorgenza sia rara nel lungo periodo l'accumulo delle mutazioni è in grado di spiegare la variabilità che si riscontra tra linee pure nelle popolazioni naturali di specie autogame.

L'effetto dell'incrocio rimane invece a lungo nella popolazione, gli eterozigoti presentano sempre un certo vantaggio selettivo sugli omozigoti in termini di fitness, cioè di capacità riproduttiva. In una coppia allelica dove le frequenze sono pari a p(A) e q(a), la quota di fecondazione è s e quella di incrocio è c = (1 – s) la proporzione degli eterozigoti equivale a: x = 2 pq x (2c / (2-s)).

La situazione in natura può discostarsi da quella descritta a causa della constatazione che un aumento della frequenza degli eterozigoti nella popolazione spesso determina una loro minore capacità riproduttiva e si è dimostrato che la fitness degli eterozigoti diminuisce con l'aumentare della loro frequenza nella popolazione. Nelle popolazioni naturali di specie autogame gli eterozigoti hanno una frequenza molto contenuta e presentano sempre un certo vantaggio selettivo rispetto agli omozigoti.

Autofecondazione e omozigosi

Nelle specie strettamente autogame, la mutazione spontanea e l'incrocio occasionale sono i principali fattori che provocano l'insorgenza della condizione ibrida. Tali fattori, creando eterozigosi, fanno sì che la popolazione vada incontro a processi di segregazione e di ricombinazione durante le generazioni riproduttive. L'eterozigosi diminuisce nel corso di successive generazioni di autofecondazione, nel monoibrido ad ogni generazione la popolazione si dimezza, raggiungendo nella sesta generazione il 3%, nel diibrido alla quinta generazione c'è il 6,2 % di eterozigoti. Anche un polibrido, dopo un numero molto alto di generazioni diventa esclusivamente omozigote e la popolazione risulterà costituita da un numero di linee pure omozigoti pari a x = 2ⁿ (per un solo locus cioè monoibrido, le linee pure sono 2, per il tetraibrido (n = 4) 16 ecc.). Le popolazioni naturali di specie autogame, che si riproducono spontaneamente e da tempo illimitato per autofecondazione, risultano pertanto costituite esclusivamente da una mescolanza di linee omozigoti per alleli diversi.

Nelle popolazioni naturali di specie autogame è presente una variabilità dovuta a differenze tra genotipi omozigoti e l'associazione tende a conservare le combinazioni geniche esistenti. Nella specie che hanno una antica tradizione colturale, dove l'attività di selezione ha portato alla costituzione di varietà aventi geni utili a molti dei caratteri desiderati.