Piante per il futuro: natura, scienza e società Paola Bonfante Dipartimento di Scienze della Vita e...
-
Upload
vanna-martino -
Category
Documents
-
view
216 -
download
2
Transcript of Piante per il futuro: natura, scienza e società Paola Bonfante Dipartimento di Scienze della Vita e...
Piante per il futuro: natura, scienza e società
Paola BonfanteDipartimento di Scienze della Vita e Biologia dei sistemi
dell'Università di Torino
Incontri del Giovedì 2014 - Il tempo della Scienza
INRIM, Strada delle Cacce 91, Torino
La storia delle piante si intreccia con la storia dell’uomo e della società
240000 specie di vegetalima una decina sfama l’umanità
La produzione autonoma di cibo e l’uso di prodotti spontanei sono state le due strategie alternative in competizione
Ma negli ultimi 10.000 anni la tendenza è evidente: i cacciatori raccoglitori sono diventati agricoltori
Plants for FOODCome si è nutrita l’umanità finora?
Le Piante producono 160.000 miliardi di Kg di carboidrati ogni anno
Proverbio
Philip J. White
Plant Nutritional Genomics
A man who has food has many problems
A man who has no food has only one
…
Grazie ai selezionatori…
© 2013 American Society of Plant Biologists
Genetic modification arose as a consequence of cultivation
Natural variation within population
Image courtesy of University of California Museum of Paleontology, Understanding Evolution - www.evolution.berkeley.edu
Planting seeds from “good” plants increased their representation in subsequent generations
Decrease in branching and increase in seed size were also selected for
Image credit Nicolle Rager Fuller, National Science Foundation
© 2013 American Society of Plant Biologists
Il mito del cibo naturale
The food we eat comes from plants already extensively modified from their original
form. Even heritage varieties are extensively genetically modified.
Credit: Nicolle Rager Fuller, National Science Foundation
I vantaggi raggiunti dai selezionatori
Ma la produttività?Contadino romano: 1000 kg frumento per
ettaro
In Italia 1920: 1000 kg frumento per ettaro
Adesso: 4000 kg frumento per ettaro
Pratiche agricole più efficiente e selezioniRIVOLUZIONE VERDE
La Rivoluzione verde“l’uomo che disinnescò la bomba dell’aumento
della popolazione umana”
Norman Borlaug breeding wheat for Mexico
Nobel Peace Prize 1970
La rivoluzione verde Agricoltura ad alta resa con elevato input di sostanze chimiche
Alta resa: migliore assorbimento dei nutrienti, maggior biomassaRapida maturazione: nel riso dalla semina alla raccolta in 125 giorni contro i 210 previsti (in Asia due cicli)Habitus di crescita: semi-nano (90 cm contro i 120 del frumento)
Giappone, Filippine, USARiso: varietà Japonica e Indica
Oryza sativa L. ssp. japonica
Oryza sativa L. ssp. Indica a
La rivoluzione verde si basa sulle tecniche del miglioramento
geneticoAlta resa
Rapida maturazioneHabitus di crescita semi-nano
Resistenza alle malattieAdattabilità alle condizioni locali
Applicazione di fertilizzanti inorganicierbicidi e fitofarmaci
Tecnologia di irrigazione, macchine….
Le conseguenze….
Quante calorie al giorno?
http://chartsbin.com/view/1150
L’altra faccia della moneta
Cibo sicuro e salutare per tutti ?
Le conseguenze sull’ambiente
La sfida - Cibo sufficiente per 9 MiliardiE la terra da coltivare?
Natura
Agricoltura
Società
Da national geographic, italia
Contraddizioni tra Natura/Agricoltura Biodiversità/Sviluppo
Per l’uomo? Per l’ambiente?
Ma si può tornare indietro?
Quali soluzioni?
GOVERNANCE Ricerca- Ricerca- Ricerca I progetti di sequenziamento dei genomi vegetali Applicazioni: Molecular-Assisted breeding Piante GM (meno erbicidi, meno fertilizzanti, più ricche in nutrienti…)
Il plant Microbiota Agricoltura Biologica Comprensione e migliore uso di strumenti naturali
The Human Genome Project2001Stele di Rosetta
Nel regno delle piante
Arabidopsis thaliana Oryza sativa Populus tremula
Riso: la stele di Rosetta
487 M di basi19 cromosomi30 000 geni
September 2007
Genome sequence and analysis of the tuber crop potato Nature 475, 189-195, 2011
The Potato genome Sequencing Consortium
DM= omozigote, deriva da una linea primitiva sudamericana
RH= 2N, eterozigote, deriva da breeding, simile alle cultivar 4N coltivate
-solo la patata tre le Solanacee fa tuberi, RH accumula più amido,
Inbreeding depression, geni per la resistenza alle malattie
La grande carestia in Irlanda dal 1845 al 1847
Phytophthora infestans
Reprinted by permission from Macmillan Publishers Ltd. (NATURE) Xu, K., Xu, X., Fukao, T., Canlas, P., Maghirang-Rodriguez, R., Heuer, S., Ismail, A.M., Bailey-Serres, J., Ronald, P.C., and Mackill, D.J. (2006). Sub1A is an ethylene-response-factor-like gene that confers submergence tolerance to rice. Nature 442: 705-708. Photo couresy of Adam Barclay CPS, IRRI Photo.
Swarna – high yielding,flooding sensitive
Submergence tolerant parentSwarna-Sub1 MAS allowed the Sub-1 trait to
be rapidly introgressed into Swarna. The Swarna-Sub1 rice accounted for over ¼ of the rice planted in India in 2010.
Marker assisted selection (MAS: Selecting for DNA markers instead of phenotipic markers
© 2013 American Society of Plant Biologists
Genetic Modification (GM) is another breeding method
Elite tomato Poor tomato but disease resistant
Elite, disease resistant tomato
Recombinant DNA (or GM) allows a single gene
to be introduced into a genome. This method can be faster than conventional
breeding
© 2013 American Society of Plant Biologists
Why are GM methods used sometimes and molecular breeding others?
Molecular breeding
1. Desired trait must be present in population
2. Genetic resources must be available
3. Plant should be propagated sexually
GM
1. Gene can come from any source
3. Plant can be propagated vegetatively2. Genetic resources not
requiredPhoto credits: Gramene.orgPhoto credits: Gramene.org ETH Life International
The plant microbiota: an innovative approach to investigate plant biology and cultivation
+ =
The Plant Microbiota
Beneficial microbes promote plant growth by metabolites and hormone secretion
micronutrient (N,P,Fe) release
increase of plant resistance to biotic and abiotic stresses
Symbiont fungi
Symbiont fungi
PlantsPlants
MycorrhizaeMycorrhizae
Microbiota: Not only ProkaryotesFungi are important componentsof the plant microbiome
Symbiosis is crucial for understanding many evolutionary events
Arbuscular mycorrhizas: mutualism
P
C
Lotus Affymetrix Microarray •Chip designed by the group of Michael Udvardi (MPI Golm, Germany)
• based on the genomic sequences from the Lotus japonicus sequencing project (http://www.kazusa.or.jp) and the EST list at http://www.tigr.org
Lotus japonicus + Gigaspora margarita
No. of probe sets: L.j. >50,000
No. of transcripts: L.j. >50,000
No. of probe sets: M.loti ~ 11,000
No. of transcripts: M.loti ~ 11,000
Array format: 49
Feature size: 11μm
Oligo probe length: 25mer
Housekeeping genes:
GAPDHUbiquitinActinTubulinPP2A
cRNA
RNA
Regulated genes
Mike Guether
95 protein turnover, cell wall, membrane dynamics 47 transporters24 TFs
Guether et al., New Phytol 2009
Genome-wide reprogramming: new emerging functions
Guether et al 2010)
Guether et al 2009
submitted
Giovannetti et al 2012
In preparation
Do fruits from tomato plants respond to AM fungi?An RNA-seq approach
Focus on tomatoA flag for the mediterranean
foodA model organism for plant
biology
Systemic effects: another key for AM success ?
Zouari et al 2014 BMC Genomics
Effect on fruit
production and
phenology
Phenotypical approach
Transcriptomic approach
Effect on global fruit
gene expression
Metabolicapproach
Effect on the amino acid fruit content
Salvioli et al 2012BMC Plant biologyZouari et al BMC 2014
Micro-Tom Moneymaker Ailsa Craig and mutants in ripening light signalling
Different fertilization conditions
3,2µM P 300µM P 3,8mM P
How to study systemic effects of AM fungi on tomato fruits ?
Overview of expression changes on metabolism as determined by mycorrhization on tomato fruits
Upregulated
Downregulated
Pianta micorrizata e pianta fertilizzata:
stessa quantità di elementi minerali e di
caroteni
Pianta micorrizata e pianta fertilizzata:
stessa quantità di elementi minerali e di
caroteni
Decifrare i genomi dei vegetali
Conservare la biodiversità
Sviluppare “crops” adattate ai Nuovi ambienti
Le nuove frontiere From green to clean al
biofuel
Al Plant Microbiota
Piante per il Futuro: quali aspettative?
Grazie per lavostra attenzione
G.Penone