rino cella
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Nuovi approcci per la propagazione e il miglioramento
genetico di Vitis vinifera L.
Rino Cella Dipartimento di Biologia e Biotecnologie
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Nuovi approcci per la conservazione del
germoplasma di vite
Il patrimonio genetico e la sua evoluzione.
Agricoltura e modificazioni genetiche
Le piante GM: cosa e come sono, e come
diventeranno.
Viti GM
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Coltura in vitro di vegetali
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Improving somatic embryogenesis
Esempio di utilizzo dell’embriogenesi somatica per la conservazione di specie a rischio di estinzione
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Embriogenesi somatica in Vitis vinifera: scelta del mezzo di coltura
ottimale
Application Nro. CL3521-2008. (Tapia et al. (2009), J. Biotech. DOI 10.1016/j.jbiotec.2008.09.009
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Rigenerazione clonale di piante di vite
Anche se nel caso dell’embriogenesi somatica la probabilità è molto
bassa, si possono ottenere varianti somaclonali. Tuttavia queste ultime
possono fornire nuove varietà.
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In Thompson Seedless:
In Red Globe:
Activation using liquid media
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Piante in
propagazione
Piante in
propagazione
DISIDRATAZIONE
Silica-gel
(14 ore)
DISIDRATAZIONE
Silica-gel
(14 ore)
Pretrattamento
0,75M Saccarosio
(24ore)
Congelamento
rapido
Congelamento
rapido
1mm
Terreno di
moltiplicazione
(24 ore)apice
1mm
Terreno di
moltiplicazione
(24 ore)apice
INCAPSULAZIONE
+
OSMOTOLLERANZA
Riscaldamento
RICRESCITA
Riscaldamento
RICRESCITA
Alginato di sodio
3% (30 min)
Alginato di sodio
3% (30 min)
100 mM
CaCl2(30 min)
100 mM
CaCl2(30 min)
CRIOCONSERVAZIONE
Paris et al 2005
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Panis et al. 2005
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Il patrimonio genetico è dinamico
Il patrimonio genetico di un organismo è soggetto a
mutazioni indotte da cause interne ed esterne (da 1000 a
10.000 lesioni/cellula/giorno).
La stragrande maggioranza di queste lesioni al DNA sono
riparate dalla cellula ma alcune sfuggono ai processi di riparo
dando luogo a mutazioni permanenti.
Esistono inoltre alcune sequenze note come elementi
trasponibili che si spostano da un punto all’altro del genoma.
E’ stato recentemente osservato che lo spostamento di questi
elementi favorisce la formazione di nuovi prodotti genici.
“πάντα ῥεῖ ὡς ποταμός” “tutto scorre come un fiume” Eraclito (535-475 BC)
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La trasmissione del DNA
L’informazione genetica è normalmente trasmessa dai genitori
alla prole grazie alla riproduzione sessuale con una modalità
definita verticale.
Tuttavia, l’informazione genetica può essere trasmessa tra
specie diverse in modo orizzontale o laterale: le cellule
animali e vegetali così come le conosciamo sono il risultato di
un processo di inglobamento di batteri da parte di una cellula
ancestrale che ha dato origine a mitocondri e plastidi.
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Il trasferimento orizzontale o laterale è molto più diffuso di quanto si possa pensare (origine di mitocondri e cloroplasti, Drosophila ananassae /Wolbackia; cellule della mucosa intestinale), afidi fotosintetici.
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Con l’agricoltura, la selezione naturale fu sostituita
dalla selezione artificiale operata dall’uomo.
Rispetto alle piante progenitrici, le varietà attualmente
coltivate sono geneticamente modificate anche se
inizialmente le modificazioni sono state ottenute
inconsciamente selezionando mutazioni spontanee.
L’agricoltura ha modificato la forma delle piante coltivate
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Esempio di selezione di mutanti spontanei
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Alcuni caratteri genetici modificati dopo l’introduzione dell’agricoltura
Carattere Esempi
Perdita di meccanismi di dispersione Frumento, riso* Perdita della dormienza Frumento, avena, riso
Passaggio da perenne ad annua Riso, segale, manioca
Perdita di produzione di frutti lgname, patata dolce
Perdita di produzione di semi Banana, agrumi
Aumento del volume di
Semi Fagioli
Frutti Zucchini
Organi di riserva Manioca, carota
Fonte: Adattato da J. Salick e L. Merrick.
Alcuni ricercatori hanno recentemente isolato il gene di riso chiamato Shattering1
(SHA1), che è responsabile della dispersione dei semi. La mutazione che controlla la
perdita della dispersione riguarda il cambiamento di un singolo nucleotide (Lin et al,
2007 Planta Published online Jan 10th).
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Riduzione dei fattori
antinutrizionali
Uno degli scopi del miglioramento genetico è stato ed è anche quello di ridurre o eliminare il contenuto di fattori antinutrizionali presenti nelle piante in qualità di sostanze di difesa contro predatori e patogeni ma ovviamente tossici anche per l’uomo.
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Mutagenesi e miglioramento genetico
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La produzione di piante GM/GE è stata resa possibile dall’integrazione di due discipline:
la coltura in vitro di cellule vegetali
la tecnologia del DNA ricombinante
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…e grazie all’aiuto del batterio Agrobacterium tumefaciens, un ingegnere genetico naturale
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Avvenuto il trasferimento genico, per selezionare le cellule trasformate occorre un gene di selezione o marcatore (ad esempio che conferisce la resistenza ad un antibiotico).
Metodi per ottenere piante
transgeniche
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Definizione di OGM o OGE
“A genetically modified organism (GMO) or genetically engineered organism (GEO) is an organism whose genetic characteristics have been altered by the insertion of a modified gene or a gene from another organism using the techniques of genetic engineering.”
(The American Heritage Medical Dictionary, Houghton Mifflin Company, 2007).
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Il miglioramento genetico ottenuto per via tradizionale e quello mediante ingegneria genetica sono analoghi
La commissione “Splicing life”, istituita dal Presidente degli USA nel
1982 su pressione di gruppi religiosi, e quella del National Research
Council del 1989 hanno raggiunto la seguente conclusione:
“no conceptual distinctions exist between genetic modification of
plants and microorganisms by classical methods or by molecular
techniques that modify DNA and transfer genes”.
I diversi gruppi religiosi esprimono giudizi contrastanti sulla tecnologia
del DNA ricombinante.
Il Vaticano non si è mai schierato contro gli OGM e, in alcune
occasioni, ha espresso un giudizio di cauta apertura a patto che siano
rispettati l’ambiente e il valore della solidarietà tra Paesi ricchi e poveri.
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Confronto tra incrocio sessuale e
trasformazione
Il miglioramento mediante incrocio è un processo lento e limitato alle
specie sessualmente compatibili. Inoltre, esso causa il trasferimento
incontrollato di sequenze di DNA per lo più sconosciute.
La tecnologia del DNA ricombinate e i metodi di trasformazione
permettono di accelerare il processo di selezione di nuove varietà; con
questa tecnologia si superano le barriere di compatibilità sessuale tra le
specie (e tra i regni degli organismi) e si inseriscono esclusivamente i
geni desiderati.
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Il gene di resistenza agli antibiotici può essere sostituito da un gene marcatore alternativo
Mannose
Mannose-6-phosphate
Fructose-6-phosphate
PMI
Anche se quello del gene marcatore è un falso problema, sono stati
messi a punto metodi altri tipi di selezione. Una consiste nell’uso del
gene codificante la mannosio fosfato isomerasi (PMI). Le piante non
sono in grado di utilizzare il mannosio quale sola sorgente di carbonio in
quanto in mancanza di PMI accumulano “mannose-6-phosphate”
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Piante di pomodoro resistenti all’erbicida Basta perché detossificano l’erbicida
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Piante GM con la tossina Bt
La produzione della tossina Bt da parte del mais transgenico impedisce
il ciclo biologico del lepidottero predatore.
Nel caso del cotone Bt, il numero di trattamenti annui con pesticidi si
riduce da 5-15 a 1-3. Se tutto il cotone coltivato nel mondo fosse Bt, si
risparmierebbero 5300 tonnellate di pesticidi.
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Piante GM resistenti a virus
L’uso di queste piante GM permetterebbe di aumentare la produttività
del 10-20% riducendo il consumo di insetticidi in quanto gli insetti sono
i principali vettori di virus.
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Piante transgeniche di pomodoro adatte alla crescita in terreni salini
Bassa
salinità
Alta
salinità
Controllo Trasformato
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Trasformato Controllo
Frutti di pomodoro dopo 21 giorni dall’inizio della
maturazione. Usando la tecnica RNA antisenso per
ACC ossidasi, le piante transgeniche producono il
5% dell’etilene prodotto da quelle non trasformate.
Fiori di garofano ingegnerizzato per una ridotta
produzione di etilene.
Frutti e fiori a lunga conservazione
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Golden Rice e Golden tuber
‘‘Golden Rice 2’’: 31 mcg/g dry
weight β -carotene).
‘‘Golden Tuber’’: 47 mcg/g dry
weight β-carotene dry).
![Page 32: Rino cella](https://reader033.vdocumenti.com/reader033/viewer/2022052211/557e6dabd8b42a1e178b50b3/html5/thumbnails/32.jpg)
Nature Biotechnology 2008, 26: 1301-08
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Obiettivi della introduzione degli OGM/OGE
Oltre agli usi biologici e medici, l’ingegneria genetica ha
riguardato principalmente l’agricoltura (il primo OGM/OGE
fu commercializzato nel 1996).
Il ruolo maggiore è svolto dalla Monsanto che nel 2007 fornì
semi GM/GE per coltivare 125 milioni d Ha con una crescita
del 13% rispetto al 2006.
Due esempi di piante GM/GE sono: il “Triple-stack corn”,
che fornisce la resistenza a due erbicidi, piralide e nematodi,
e il cotone Bt.
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Dibattito relativo all’uso di OGM/OGE
La possibilità di produrre e coltivare piante GM/GE ha innescato dubbi
e paure (principio di precauzione) relative a paventati effetti dannosi
sulla salute umana e sull’ambiente. Ciò ha riguardato:
- aumentata presenza di allergeni nel cibo
- trasferimento di geni di resistenza agli antibiotici
- trasferimento dei transgeni ad altri organismi mediante
impollinazione incrociata (delle specie sessualmente compatibili)
- perdita della biodiversità
- considerazione etiche relative alla modifica del patrimonio genetico
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Uso di organismi OGM/OGE in viticoltura e nella vinificazione
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Possibili benefici derivanti dall’us0 di viti GM/GE
Viti GM/GE sono state ottenute in Cile, Francia, Germania, Sud Africa
e Stati Uniti (Vigne et al 2004 Transgenic Research 13: 165-179).
Recentemente anche in Italia.
In particolare l’attenzione è rivolta alla produzione di cultivar
caratterizzate da una maggior resistenza a varie patologie con il
risultato di ridurre il rilascio ambientale di insetticidi e fungicidi e
limitare i costi di produzione di uva. I geni utilizzati ed ingegnerizzati
sono stati quelli codificanti PGIP di vite, chitinasi e glucanasi di
lievito, peptidi antifungini, allo scopo di aumentare le difese
antifungine. Inoltre, sono in corso ricerche per trovare nuovi geni di
resistenza.
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Alle ricerche finalizzate all’ottenimento di viti resistenti a
funghi, virus, batteri quali, ad esempio, quelle contro
oidio, Agrobacterium, Botrytis, Clostridium, Xylella,
nepovirus e closterovirus sono seguite sperimentazioni in
campo: 6 in Europa dal 1994 al 2004 (Francia 4, Italia 1,
Germania 1) e 53 negli USA dal 1995 al 2004. Alcune
varietà sono in via di commercializzazione.
Sperimentazioni in campo sono in corso anche in Canada,
Sud Africa e Australia.
Sperimentazioni in campo
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Schema del programma di miglioramento di viti e portainnesti di WINETECH*
* Wine Industry Network of Expertise and Technology in Sud Africa
da Berrie, 2011
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Dibattito sulla sicurezza alimentare dei vini GM/GE
La possibilità di utilizzare sia viti GM/GE sia lieviti nella
produzione del vino ha stimolato l’analisi scientifica del
problema della possibile tossicità del vino ottenuto.
Alcuni autori hanno mostrato che dopo il processo di
vinificazione il DNA è persiste nel vino per oltre un anno.
Tuttavia, altri autori hanno sottolineato il fatto che il DNA
introdotto per via alimentare è parzialmente degradato nel
processo di digestione perdendo così la sua integrità genetica.
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Altri ricercatori hanno analizzato l’effetto sulla salute umana
e sull’ambiente di sei vini prodotti con diverse pratiche
viticole e di vinificazione
- biologica/organica
- integrata
- biodinamica
- convenzionale
- vite GM/GE
- lievito GM/GE.
I risultati ottenuti non hanno evidenziato alcuna differenza
significativa tra le varie modalità. Gli autori non hanno
inoltre riscontrato differenze di allergenicità tra le proteine
ricombinanti e quelle native. Plahuta and Raspor (2007) Food Control 18: 492-502