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Biotecnologie Vegetali per Diegnare la Pianta del Futuro
Antonio Michele Stanca U N A S A- AISSA-UNIMORE
Orvieto 28 settembre2013
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Norman Borlaug
Nazareno Strampelli
Mendel
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Model of the Breeding progress in the last 100 years
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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
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GENETICA GENOMICAstudia il Genoma(l’intero contenuto diDNA di una Cellula)
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• 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
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12/06/0828/11/07
MAS=Molecular Assisted Selection
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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
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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”
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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
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PLANT
TRANSFORMATION
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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
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1998COSTANZA«tradizionale» «isogenico Bt»
Lodi, azienda Bianchini-Elias (oggi Assessore all’Agricoltura in Lombardia)5 ottobre (foto Maggiore)
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LA
RV
A P
IRA
LID
E
FUSARIUM spp
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Landriano (PV) , Az. Menozzi, settembre 2005 (foto Maggiore)P66 P67 (Bt)
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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
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P66 P67Visione del campo al momento della raccolta dopo aver eliminato il bordo centrale
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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)
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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
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Seralini et al. 2012
Maize NK603
EFSA
Insufficient Scientific Quality
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BREEDING by DESIGN Integration of
• GENETICS• Molecular Genetics• Molecular Breeding• Physiology• Food Technology• Bioinformatics and Statistics• Agronomy
SYSTEMS BIOLOGY
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GENOTYPING
PHENOTYPING
,
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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
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METAGENOMICPLANT-soil-microbe-interaction ROOTS
NUE e WUE MIRNA
PLANT for the Future
Potenzialitàe Stabilità
25-30000 semi/m2120-130q/ha
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SYSTEMS BIOLOGY and Beyond
• Vibrant and Competitive Research
• More SCIENCE in AGRICULTURE
• SCIENCE FOR FARMING
Breeding is not Art
Breeding is SCIENCE
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Filmato RNA
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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.
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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
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SCIENZA e AGRICOLTURA
Complementari……………………90.2%
Incompatibili…………………..…….9.8%
Chi SONO?
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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
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22 maggio 2009