Biotecnologie Vegetali per Diegnare la Pianta del Futuro

Antonio Michele Stanca U N A S A- AISSA-UNIMORE

Orvieto 28 settembre2013

Norman Borlaug

Nazareno Strampelli

Mendel

Model of the Breeding progress in the last 100 years

Neolitico

500 semi/m2

1-1.5 q/ha

Periodo Romano

2.000 semi/m2

4-5 q/ha

RinascimentPre-Mendel

3.000 semi/m2

6-8 q/ha

Post-Mendel

8.000 semi/m2

25 q/ha

1970

14.000 semi/m2

50 q/ha

Oggi

20.000 semi/m2

90-100 q/ha

GENETICA GENOMICAstudia il Genoma(l’intero contenuto diDNA di una Cellula)

• The DNA based knowledge can lead to:

• identify the POSITION of genes controlling useful traits and tag them with molecular markers;

• ISOLATE the genes encoding for useful traits for further gene-improvement

AC

CG

TT

GG

AC

CA

TG

GA

TA

CT

AA

TG

G

12/06/0828/11/07

MAS=Molecular Assisted Selection

Organismo geneticamente modificatoOrganismo geneticamente modificato (OGM)(OGM)

Un organismo il cui materiale genetico è stato modificato in modo diverso da quanto si verifica in natura mediante incrocio o con la ricombinazione genetica naturale

ORGANISMI GENETICAMENTE MODIFICATI – OGM INDIVIDUI CHE SI OTTENGONO MEDIANTE TRASFORMAZIONE GENETICA E PRECISAMENTE INSERIMENTO NEL GENOMA DELLA PIANTA TARGET MEDIANTE INGEGNERIA GENETICA DI UNA SEQUENZA DI DNA-GENE – PROVENIENTE DALLA STESSA PIANTA O DA ALTRI ORGANISMI FILOGENETICAMENTE VICINI O COMPLETAMENTE ESTRANEI. OGM DAL PUNTO DI VISTA LEGALE VIENE DEFINITO COME: “UN ORGANISMO IL CUI MATERIALE GENETICO E’ STATO MODIFICATO IN MODO DIVERSO DA QUANTO SI VERIFICA IN NATURA MEDIANTE INCROCIO O CON LA RICOMBINAZIONE GENETICA NATURALE”

Il T-DNA è trasferito nel genoma della pianta

IntegrationTransfer

Expression

3'- LB- T-DNA -RB-5'

A) Malattie iperplasticheAgenti: A. tumefaciens e rhizogenes, P. syringae savastanoi e avellanea

PLANT

TRANSFORMATION

Bt or non Bt?

5 Stati

14 anni

Riduzione della popolazione di piralide sino al 70% nei campi convenzionali NON Bt

Hutchison et al. 2010 Science

1998COSTANZA«tradizionale» «isogenico Bt»

Lodi, azienda Bianchini-Elias (oggi Assessore all’Agricoltura in Lombardia)5 ottobre (foto Maggiore)

LA

RV

A P

IRA

LID

E

FUSARIUM spp

Landriano (PV) , Az. Menozzi, settembre 2005 (foto Maggiore)P66 P67 (Bt)

Ibridi Resa dt/ha U% Fori stocco n°

Fori spiga Fori pedunc. Gallerie Fusarium Fumosi-

14% U n° n° cm/pianta spiga % na

          (ppb)

ELGINA 141 23,5 0,8

0,06 0,15 0,44 0

48

CECILIA 110 21,3 6,31

1,36 1,66 19,92 23

6100

P67 159 26,7 0,75

0,02 0,16 0,7 0

60

P66 111 21,3 9,54

3,26 2,58 68,53 29

6300

MEDIA 130,25 23,2 4,35 4,7 1,14 22,4 26 3127

P66 P67Visione del campo al momento della raccolta dopo aver eliminato il bordo centrale

Oltre i Transgenici Nature Biotec (marzo 2012)

• L’ingegneria genetica di “prima generazione” ha permesso di inserire tratti di DNA a random nel genoma

• Cellule vegetali ingegnerizzate per produrre molecole utili-non OGM-

• Zinc Finger Nucleasi-ZFN- Inserimento del gene in modo mirato mediante riconoscimento di siti specifici nel genoma

• Cisgenesi ( non OGM?) e Intragenesi

• GRAFTING

• Modificazione Epigenetica ( metilazione-silenziamento)

MORE EFFICIENT AGRICULTURE

Herbicide toleranceInsect resistance

HEALTHIER NUTRITION and QUALITY

Aminoacids, oil, starch

PEST PROTECTIONVirus, nematode, fungi, insects

PLANTS AS FACTORIESVitamins, long-chained fatty acids,

omega 3 fatty acids, enzymes, biopolimers,

Pigments, pharmaceuticals, fiber.

STRESS PROTECTIONCold, drought, salinity

2005 2015 2025

Seralini et al. 2012

Maize NK603

EFSA

Insufficient Scientific Quality

BREEDING by DESIGN Integration of

• GENETICS• Molecular Genetics• Molecular Breeding• Physiology• Food Technology• Bioinformatics and Statistics• Agronomy

SYSTEMS BIOLOGY

GENOTYPING

PHENOTYPING

,

Centrodi Ricerca per la GenomicaGAS = Genomic Assisted

Selection

Selezione basata su migliaia/decine di migliaia di tratti di DNA Selezione basata su migliaia/decine di migliaia di tratti di DNA

METAGENOMICPLANT-soil-microbe-interaction ROOTS

NUE e WUE MIRNA

PLANT for the Future

Potenzialitàe Stabilità

25-30000 semi/m2120-130q/ha

SYSTEMS BIOLOGY and Beyond

• Vibrant and Competitive Research

• More SCIENCE in AGRICULTURE

• SCIENCE FOR FARMING

Breeding is not Art

Breeding is SCIENCE

Filmato RNA

A molecular clock model explains the basis of heterosis.In the hybrids, the allelic interactions between parent 1 (P1) and parent 2 (P2) induce epigenetic repression of CCA1 and LHY expression amplitudes (red dashed line) and upregulation of TOC1 expression amplitudes (green dashed line) relative to the expression values in the parents (solid red and green lines, respectively), whereas the periodicity of the clock remains the same because maintaining clock periodicity and rhythm is important for plant growth and fitness

Molecular mechanisms of polyploidy and hybrid vigor.

Trends Plant Sci. 2010 Feb;15(2):57-71.

Effect of elevated CO2 on oat yield and quality traits?

A rings of the FACE facility installed in Fiorenzuola d’Arda with its control unit

FACE-Free-Air CO2 Enrichment- is considered the most advanced technology to investigate experimentally the impact of rising

atmospheric CO2 on terrestrial ecosystems

SCIENZA e AGRICOLTURA

Complementari……………………90.2%

Incompatibili…………………..…….9.8%

Chi SONO?

Pontecorvo e la Scperta del Neutrino

Giovani Studenti e ProfessoriDOMANDA:Ma i neutrini cosa portano ai

Kolkhoziani di RYAZAN?Risposta:Per ora il neutrino non dà nulla ai

Kolkhoziani né a chiunque altroModo per affermare che la ricerca spesso non dà un risultato immediato ai contadini e agli operaiModo elegante per affermare l’autonomia della

ricerca

22 maggio 2009