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