granitalia stanca michele def [modalit compatibilit ] · 21/10/2010 3 rht-rht---b1bb1b gene is a...

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CRA FIOR

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CRA FIOR

Le Proposte della Piattaforma Tecnologica Italiana

“ Plants for the Future”

GRANOITALIA 2010 -Bologna-

A. Michele STANCA UniMORE

......Accade talvolta che possano nascere figli somiglianti agli avi,e spesso riproducenti le sembianze dei bisavoli, perche' i genitori celano spesso nel corpo molti primordi commisti in molteplici guise che lungo il

percorso della stirpe trasmettono dai padri nei figli fin dall'origine;

.............................................

Lucrezio De Rerum Natura IV

• 220.000 specie presenti sul pianeta (mono e dicotiledoni)

• 5.000 usate dell’uomo per i propri fabbisogni

• 1.500 addomesticate

• 150 quelle oggi maggiormente impiegate

• Oggi 4 specie forniscono il 60% delle calorie alimentari

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La PIATTAFORMA si e' posta l'Obiettivo di contribuire a

Garantire Alimenti ed Energia a Tutti sul Pianeta Terra

“ FEEDING TEN BILLION”

It PLANTS for the FUTURE

si basa principalmente sulla

Gene Revolution

che a sua volta si avvale di tutte le discipline per

individuare,caratterizzare e utilizzare al meglio la funzione

del gene/i

Delle Quattro Research Challenges,

Tre hanno un ruolo di forte interazione

Pubblico-privato

Parte dai Risultati dell'

IDEOTYPE BREEDING,

si sviluppa lungo il percorso della GENOMICA

e si definisce come

BREEDING BY DESIGN

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RhtRhtRhtRht----B1bB1bB1bB1bGENE IS A VERY LUCKY GENEGENE IS A VERY LUCKY GENEGENE IS A VERY LUCKY GENEGENE IS A VERY LUCKY GENE

The Rht-B1b mutation is a nucleotide substitution that creates a stop codon

T-for C substitution converts the CGA codon to a stop codon TGA

The translational termination of the mutant stop codon in Rht-B1b-permits translational reinitiation at one of the several methionines that closely follow this stop codon

Una mutazione al gene Rht di frumento

C

……CCGGTA T GACCAATGCTGAATGATCGTA…… GeneRht

DNA binding domainNLS

DNA binding domainNLS

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Model of Breeding progress in cultivated speciesModel of Breeding progress in cultivated speciesModel of Breeding progress in cultivated speciesModel of Breeding progress in cultivated species

in the last 100 yearsin the last 100 yearsin the last 100 yearsin the last 100 years

TRAITSTo cope withTo cope withTo cope withTo cope with

ColdColdColdCold

Heat shockHeat shockHeat shockHeat shock

DiseasesDiseasesDiseasesDiseases

LodgingLodgingLodgingLodging

Increasing COIncreasing COIncreasing COIncreasing CO2222

LightLightLightLight

Soil ofSoil ofSoil ofSoil of low fertilitylow fertilitylow fertilitylow fertility

SALTSALTSALTSALT

WATERWATERWATERWATER

IONSIONSIONSIONS

Heavy metalsHeavy metalsHeavy metalsHeavy metals

anoxiaanoxiaanoxiaanoxiadroughtdroughtdroughtdrought

acidacidacidacidalcalinealcalinealcalinealcaline

La scoperta del DNA (1953)

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

Nuovi Formulati di Pasta,

Pane e Biscotti

Farine e Semole Speciali

di tipo Funzionale

ben caratterizzati per le molecole in essi contenuti e

pronti per conquistare nuovi mercati

GENOMICA per il FOOD

Indice Glicemico di pane arricchito Indice Glicemico di pane arricchito

Time (min)

0 20 40 60 80 100 120

Blood Glucose Increment (m

mol/L)

0

1

2

320% WF

bread wheat

Glucose

Pane con 20% di frazione di orzo ottenuta dopo estrazione in acqua e liofilizzazione ha un Indice Glicemico

inferiore del 28% rispetto al pane bianco

Cavallero et al., J. Cereal Sci., 2002

Composti antiossidanti nel Composti antiossidanti nel risoriso

PolifenoliPolifenoli

Tocoli Tocoli (Vitamina E)(Vitamina E)

γγγγγγγγ--OrizanoloOrizanolo

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Polifenoli presenti nel riso nero:Hu et al., J. Agric. Food Chem, 51: 5271-5277 (2003)

Antocianidine

Polifenoli presenti nel riso rosso:Finocchiaro et al., Mol. Nutr. Food Res., 2007

Proantocianidine

AVENANTRAMIDI

Beta-GLUCANI

NUOVI PRODOTTI per produzione di BIOENERGIA

- Incremento delle quantita' di Biomassa per unita' di Superficie

- Elevata qualita' delle biomasse destinate alle fermentazioni

es. basso contenuto di lignina

Genomica non Food

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0,01

0,1

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73,3

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79,9

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84,3

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88,7

90,9

100%

80%

70%

50%

0%

NTC

Sistemi analitici molecolari Sistemi analitici molecolari per la tracciabilità per la tracciabilità di specie vegetali,di specie vegetali,

animali, microbicheanimali, microbiche

Certificazione dell’autenticità

TOX>255

20<TOX≤254

15<TOX≤203

10<TOX≤152

TOX≤101

AnnoClasse

TOX>255

20<TOX≤254

15<TOX≤203

10<TOX≤152

TOX≤101

AnnoClasse

SpecieC lasse

Grano duro3

Grano te nero2

Orzo1

SpecieC lasse

Grano duro3

Grano te nero2

Orzo1

Varietà

San C arlo Blasco - Sagit tarioExpre ss4

C reso - Duil io -Simeto

A marok - Centauro - Eureka -Guadalupe - Serio - Soissons

Fede ral3

Orobe lBi lancia - Ise ngrain - Miet i - Mol

- Vaio le tAmil lis -Mat tina

2

Colosseo -N eodur

B olero - Bologna - Enesco -N obel - Paderno - Pandas

Barak a1

Grano duroGrano teneroOrzoCla sse

Varietà




Fede ral3



2

Colosseo -N eodur


Barak a1


C ereali3

Rinnovo – Prato - Altro2

Ortaggi1

PrecessioneClasse

C ereali3


Ortaggi1

PrecessioneClasse

Semina su sodo –minimum t illage

3

Lavorazione senza rivoltamentodel la zol la

2

A ratura - Scasso1

Tipo di lavorazione del suoloClasse


3


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A ratura - Scasso1

Tipo di lavorazione del suoloClasse6666Lavoraz ioneLavoraz ioneLavoraz ioneLavoraz ione5555PrecessionePrecessionePrecessionePrecessione4444VarietVarietVarietVariet àààà

3333SpecieSpecieSpecieSpecie2222ZonaZonaZonaZona

1111Andamento Andamento Andamento Andamento s tagionalestagionalestagionalestagionale

55554444333322221111Class i (colonne)Class i (colonne)Class i (colonne)Class i (colonne)

Var iabile (righe)Var iabile (righe)Var iabile (righe)Var iabile (righe)

6666Lavoraz ioneLavoraz ioneLavoraz ioneLavoraz ione5555PrecessionePrecessionePrecessionePrecessione4444VarietVarietVarietVariet àààà





Rete agrometeo

Modello FHB-risk

Indice TOX

TOX>255

20<TOX≤254

15<TOX≤203

10<TOX≤152

TOX≤101

AnnoClasse

TOX>255

20<TOX≤254

15<TOX≤203

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TOX≤101

AnnoClasse

SpecieC lasse

Grano duro3

Grano te nero2

Orzo1

SpecieC lasse

Grano duro3

Grano te nero2

Orzo1

Varietà




Fede ral3



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Colosseo -N eodur


Barak a1


Varietà




Fede ral3



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Colosseo -N eodur


Barak a1


C ereali3


Ortaggi1

PrecessioneClasse

C ereali3


Ortaggi1

PrecessioneClasse


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A ratura - Scasso1

Tipo di lavorazione del suoloClasse


3


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A ratura - Scasso1

Tipo di lavorazione del suoloClasse6666Lavoraz ioneLavoraz ioneLavoraz ioneLavoraz ione5555PrecessionePrecessionePrecessionePrecessione4444VarietVarietVarietVariet àààà





6666Lavoraz ioneLavoraz ioneLavoraz ioneLavoraz ione5555PrecessionePrecessionePrecessionePrecessione4444VarietVarietVarietVariet àààà





Rete agrometeo

Modello FHB-risk

Indice TOX

Rete agrometeo

Modello FHB-riskModello FHB-risk

Indice TOX

Biodiversità

Variazione tra gli individui che compongono una

popolazione della stessa specie-tra specie-tra sistemi

Genomic -assisted Analysis and Exploitation of Barley Diversity

EXBARDIV

The Approach

Identify broad associations in a collection of ~ 450 barley

cultivars

a

Screen a less inbred collection (~ 500 barley landraces with lower linkage disequilibrium) at a subset of genes across the region for association with the trait

Repeat at higher resolution (~ saturation gene level) in a wild barley collection

Involving sequencing

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Essential tools

3000 High throughput Illumina SNP markers, most with known map locations

Fenotipizzazione

The direct outputs of this Project are alleles of great potential use to barley breeding. Breeders need

these alleles for sustainable, environmentally benign crop production in the face of climate change and

this Project will deliver these. All the Project outputs will be freely available for industrial exploitation via

the Barley Repository and the EXBARDIV database.Furthermore, the demonstration that association

genetics works in barley will prompt other users to use this approach, not just in barley but in potentially

every European crop plant species.

Expected resultsAGRONOMIA

BIOTECNOLOGICA- N U E

- P U E

- W U E

- patogeni

- altri insulti (Temperature, CO2 ecc.)

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Hv-WRKY38 Genomic Position THE NEW BARLEY CONSENSUS FUNCTION MAPTHE NEW BARLEY CONSENSUS FUNCTION MAP

Locating drought tolerance QTLs currently available in the barley literature plus

QTLs for yield adaptation to drought in the ‘NxT’.

Molecular Marker Technology

MAS

Molecular Assisted Selection

Piante resistenti

Uso del DNA per selezionare piante

resistenti

Piante suscettibili

Piante resistenti

Piante suscettibili

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DNA chip technology

GeneChip Affymetrix

The GeneChip® Wheat Genome Array contains 61,127 probe sets representing 55,052 transcripts for all 42 chromosomes in the wheat genome. Sequence information for this array includes public content from the bread wheat Triticum aestivumUniGene Build #38 (build date April 24, 2004). Also included are ESTs from the wheat species T. monococcum, T. turgidum, and Aegilops tauschii, and GenBank® full-length mRNAs from all species through May 18, 2004.

3242 genes up-/down-regulated in response to drought in at least one genotype/condition.

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13 Transposons 13 Transposons 13 Transposons 13 Transposons

and retrotrasposonsand retrotrasposonsand retrotrasposonsand retrotrasposons

61 unknown genes61 unknown genes61 unknown genes61 unknown genes

Genes induced in the 5A deletion linePhenotypic selection in

multilocational trials including stressed and stress-free

environmentsenvironments

Detection of QTL for yield in stressed and stress-

free environments

Identification of physiological traits associated to high yield

and drought tolerance

Comparing QTLs for yield with QTLs for drought-related traits

QTL cloning (positional cloning or candidate genes)

Molecular analysis of drought response (functional genomics)

genes”Identification of “candidate

genes”

New cultivars with improved

drought tolereance

MAS for QTL

MAS for single genes

Transformation in elite cultivars

traits

Selection based on physiological

traits

VIBRANT and COMPETITIVE RESEARCH

- FUNZIONE dei GENI

- FUNZIONE delle PROTEINE

- Interazione Proteina-proteina

- Interazione Gene-Proteina

TF-RNAi-PAC ecc.

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Filmato RNA

PLANT ARTIFICIAL CHROMOSOMES

PACs

PACs could be easily introduced or removed from a genotype by genetic crosses and to

introgress transgene into different backgrounds

MiPAAF – Direzione Generale dello Sviluppo Rurale Div IV – Ricerca e Sperimentazione

Progetto InternazionaleSequenziamento Genoma Frumenti

Mappa fisica del cromosoma 5 A

________________________________________________________________________________________________________Via S. Protaso 302 – 29017 Fiorenzuola d’Arda (PC) – Tel. +39 0523 983758-9 Fax +39 0523 983750 – Email [email protected]

CRA – GPGFiorenzuola d’Arda

I CONSORZI

• International Wheat Genome Sequencing Consortium(IWGSC- http://www.wheatgenome.org/) Coordinatore: Kellye A. Eversole – Bethesda, USA

• European Triticeae Genome Initiative (ETGI - http://www.etgi.org) Coordinatore: Catherine Feuillet – INRA, Clermont-Ferrand, France

• Sviluppo di librerie BAC e mappe fisiche cromosoma o braccio cromosomico specifiche

Sequenziamento basato su mappe fisiche già realizzate

IL PROGETTO SEQUENZIAMENTOGENOMA FRUMENTO

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Un genoma è come tante orchestre

FORMAZIONE

- Spiegare perche' il CRESO non produce granella radioattiva

- NON stancarsi di spiegare che cosa e' la

Trasformazione Genetica

- Accendere Consorzi pubblico-privati o

tutto privati (Svegliatevi!)

- Chiarire il Ruolo degli Agricoltori

- Gli Agricoltori con un minimo di tecnologia ricominciano ad usare

semente aziendale

E' UN LORO DIRITTO ?

Imperativo Categorico:

Organizzare Progetti in forma integrata, in modo che dai risultati di alta tecnologia si passi allo sviluppo di Nuovi

Prodotti e Processi competitivi a livello Mondiale

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“Laboratorio pubblico-privato di GENomica per caratteri di importanza AGROnomica in frumento duro:identificazione di geni utili, analisi funzionale e selezione assistita con marcatori molecolari per lo sviluppo della filiera sementiera nazionale ” DM 18092 del 31 Ottobre 2006 (G.U. del 18 Novembre 2006 n. 269)

Parentali F2

Agrogen: fornire conoscenze su geni e funzioni geniche rilevanti per i caratteri di interesse agronomico del

frumento duro

Fornire strumenti molecolari per la selezione di nuove varietà di frumento duro

R E R

ALIQUAL: Nuovi Alimenti di Alta Qualita' a Base di Cereali Mediante lo sviluppo di

una filiera sostenibile

Siteia: Interazione Pubblico-Privato di Molecular Breeding

Fondazioni delle Casse Di Risparmio

AGER: Frumento duro e Riso

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2 - 2,5 MILIONI di QUINTALI di SEMENTE CERTIFICATA

“SMALL GRAIN CEREALS”

Sono molto appetiti anche dall'industria sementiera nord africana

YIELD ENHANCEMENT GENESYIELD ENHANCEMENT GENESYIELD ENHANCEMENT GENESYIELD ENHANCEMENT GENES

Future strategie di miglioramento attraverso:

“Sistems Biology” o Biologia dei Sistemi

Struttura del Genoma

Funzione e Regolazione dei Geni

Interazione Genica

Struttura e Funzione delle Proteine e

Tappe Metaboliche Coinvolte

Espressione Fenotipica della Pianta

nell’Azienda Agraria

Siamo in grado nel breveSiamo in grado nel breve--medio termine di medio termine di rispondere ai nuovi scenari agroambientalirispondere ai nuovi scenari agroambientali?

SIGenoma Trascrittoma Proteoma Metaboloma

Database di sequenze, proteine, metaboliti

Interazione tra geni e interazione tra proteine, identificazione della funzione dei geni e di tappe metaboliche

Definizione delle basi molecolari (genotipo) dei caratteri agronomici (fenotipo)

RICADUTECompetitività internazionale, attivazione di un “sistema nazionale” per la genomica in agricoltura, sviluppo di

nuovi prodotti e nuove filiere agroalimentari.

AZ

ION

I D

EL

PIA

NO

PIANTE AGRARIECaratteri di importanza agronomica: produttività, qualità, resistenza a stress, produzioni non-food, ecc

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Sin dall'Antichita' l'Agricolturasi e' Basata sulla Scienza e la

Tecnologiae

OGGI?

La Moderna Agricoltura si Fonda sui Principi della Biologia !

Per TUTTI !


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CRA FIOR

IL PROGETTO ITALIANO

• All’iniziativa italiana è stato assegnato il cromosoma 5A caratterizzato dalla presenza di geni importanti per diversi caratteri di interesse nazionale.

• Mappa Fisica 5A: La strategia generale che verrà seguita per la realizzazione della mappa fisica dei due bracci del cromosoma 5A si basa sulla suddivisione del genoma in singole frazioni contenenti un solo braccio cromosomico e sulla costituzione di librerie BAC braccio specifiche.

• Le informazioni genomiche generate dalle iniziative internazionali per il sequenziamento saranno utilizzate per lo sviluppo di attività pilota dedicate allo studio funzionale di geni coinvolti nella determinazione di caratteri qualitativi e di resistenza a stress biotici e abiotici.

RICERCA GENETICA

FONDAMENTALE

Struttura – Funzione del Genoma

APPLICATA SVILUPPO

• Fattori di trascrizione

• Splicing alternativo

• RNAi

• Epigenetica

• MicroRNA

BIOTECNOLOGIE

• MAS (caratteri semplici e continui)

• Trasformazione

• Bioinformatica

• Tracciabilità

• Nuove varietà per usi convenzionali e non

• Nuovi prodotti

• Nuovi processi

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GLI OBIETTIVI

1. Sviluppo di una libreria BAC cromosoma o braccio cromosomica specifica;2. Fingerprinting dei cloni BAC per la realizzazione di contigs attraverso un protocollo automatizzabile;3. Realizzazione di una mappa di restrizione del cromosoma 5A tramite tecniche di sequenziamento ad elevato parallelismo;4. Ancoraggio dei contigs alla mappa genetica e a quella di restrizione del frumento duro e tenero e mappaggio di geni per caratteri agronomici del frumento duro localizzati sul 5A;5. Sequenziamento delle estremità terminali dei cloni BAC (BAC End Sequenze –BES) per lo sviluppo di marcatori per l’ancoraggio dei conting alla mappa genetica;6. Studio funzionale di geni del cromosoma 5A coinvolti nella determinazione di caratteri qualitativi, di resistenza a stress abiotici e di resistenza a stress biotici.


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PIANO DI ATTIVITA’

Attività n.1 - Realizzazione di risorse genomiche necessarie per il mappaggio fisico del cromosoma 5A di frumento

Attività n. 2 - Ancoraggio dei BAC contigs alla mappa genetica

Attività n. 3 - Identificazione e studio funzionale dei geni del cromosoma 5A coinvolti nell’espressione di caratteri di rilevanza agronomica: qualità, resistenza a malattie, resistenza a stress abiotici.

Impegno: 2/3 Mappa fisica1/3 Funzionale

Durata 3 anni

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CRA FIOR

CRA-GPG

Fiorenzuola

CRA FG - MT UNI UD - PD –

MORE - BO

CRA ROMA

UNI VT

ENEA

UNI BA - LE

Parco Tecnologico Padano (Lodi)

MET - AGROBIOS


PARTECIPANTI

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PROGETTO DI RICERCA

9.800.000 € (finanziamento = 6.100.000)

PROGETTO DI FORMAZIONE = 1.200.000 €

(12 borse di studio triennali)

Collaborazioni esterne

BIOPOLO = Consorzio Biopolo-Dauno, Foggia

CNR-IBBA = Istituto di Biologia e Biotecnologia Agraria del CNR, Milano

INRAN = Istituto Nazionale di Ricerca per gli Alimenti e la Nutrizione, Roma

ISTA = Istituto Agronomico per lo Studio delle Colture Mediterranee, Busto Arsizio (VA)

SSG = Stazione Sperimentale per la Granicoltura di Caltagirone (CT)

Uni-MI = Dipartimento di Scienze Biomolecolari e Biotecnologiche - Università degli Studi di Milano

Uni-VT = Dipartimento di Agrobiologia e Agrochimica dell’Università degli Studi della Tuscia di Viterbo

Uni-UD = Dipartimento di Produzione Vegetale e Tecnologie Agrarie, dell’Università degli Studi di Udine

Centro di Ricerca

per la Cerealicoltura Identificazione di

marcatori ed analisi

funzionale di geni

Uso di marcatori

molecolari per MAS

in grano duro

Real-time PCR

Luminex

Licor

Expression analysis

TILLING

SNPs

Microsatelliti

Sequenziamento

cDNA-AFLP TRAP

AGROGEN piattaforma di genomica per lo

sviluppo e l’uso di marcatori molecolari

ABI 3130

Biomeck 3000

Centro di Ricerca

per la Cerealicoltura

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HPLC

LC- MS/MS

ICP

GC-MS

P/ACE™ MDQ

Metalli

Metabolic profiling

Composti volatili

Acidi grassi

Lignani

Cromatografo ionico

Anioni

Cationi

Zuccheri

Amminoacidi

Vitamine

Carotenoidi

Flavonoidi

Ac. Fenolici

Terpenoidi

Centro di Ricerca

per la Cerealicoltura

AGROGEN piattaforma di metabolomica

per la fenotipizzazione qualitativa

Messa a punto di

metodiche analitiche

per semola e pasta

Analisi di popolazioni

segreganti per il

mappaggio dei

caratteri

Agrogen: dettaglio delle attività• Sviluppo di mappe genetiche per lo studio di caratteri di

rilevanza agronomica in frumento duro

• Analisi delle basi genetiche della capacità produttiva del frumento duro

• Marcatori associati a geni di resistenza a stress biotici in frumento duro

• Marcatori associati a loci per caratteri legati alla qualità in frumento duro

• Metodi innovativi per la certificazione varietale

• Individuazione e studio funzionale di geni chiave per tolleranza allo stress idrico

• Profiling trascrizionale ed analisi proteomica di processi chiave per la produzione e la qualità in frumento duro

• Studio funzionale di geni coinvolti nella qualità del frumento duro

• Sviluppo di programmi di selezione assistita con marcatori molecolari (MAS)

Cultivated barley can profit from the introduction of new alleles from wild and landrace barley.

Conventional pre-breeding programs take a long time and it is often unclear which donor lines should be used.

Background

To establish an incremental association mapping approach based on different population types for the discovery of new gene alleles in wild and landrace barley which can be exploited for crop breeding.

Goal

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Association mapping

a a

a

aa a

a

aa

aa

aaa a

aa

a a

a a

a = Genotype (marker)= Trait

a

A Problem

Linkage extends up to ~ 30cM in collections of cultivated barley chromosomes, because they are so highly interbred

Phenotypic Data Collection The EXBARDIV ConsortiumUniversity of Dundee -Andy Flavell

MPIZ Koln - Klaus Pillen

MTT Finland - Alan Schulman

IPK-Gatersleben -Andreas Graner

CRA - Fiorenzuola d'Arda- Luigi Cattivelli

University of Copenhagen - Soeren Rasmussen

Scottish Crop Research Institute, Invergowrie -Joanne Russell

granitalia stanca michele def [modalit compatibilit ] · 21/10/2010 3 rht-rht---b1bb1b gene is a...

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