Plant phenotyping: da un overview generale al nostro caso studio colturali/S3 Progetto... · Spesso...

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Plant phenotyping: da un overview generale al nostro caso studio Livia Paleari University of Milan, Cassandra lab [email protected] Sistemi colturali 19 Maggio 2016

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Plant phenotyping:

da un overview generale al nostro caso studio

Livia Paleari

University of Milan, Cassandra lab

[email protected]

Sistemi colturali 19 Maggio 2016

Plant phenotyping – perchè?

Sistemi colturali 19 Maggio 2016

• Fenotipo (P): espressione di

un genotipo (G) in un determinato ambiente

(E…e M!) attraverso le sue

caratteristiche morfo-

fisiologiche, di sviluppo, proprietà biochimiche.

(Furbank and Tester, 2011)

Fre

quenza

Fre

quenza

Carattere

Carattere

Plant phenotyping – dove?

Sistemi colturali 19 Maggio 2016

Differenza genetica Interazione additiva Interazione non additiva

• Fenotipo (P): dipende dal genotipo (G), dall’ambiente (E, M) e

dalla loro interazione (G×E×M)

P=G+E+G×E+ε

Plant phenotyping – dove?

Sistemi colturali 19 Maggio 2016

Differenza genetica Interazione additiva Interazione non additiva

(Chenu et al., 2011)

• Fenotipo (P): dipende dal genotipo (G), dall’ambiente (E, M) e

dalla loro interazione (G×E×M)

P=G+E+G×E+ε

Plant phenotyping – cosa?

Sistemi colturali 19 Maggio 2016

• Plant Phenotyping:

valutazione di singoli tratti quantitativi (e.g.,

legati a crescita,

sviluppo, architettura,

tolleranza, resistenza,...) che costituiscono la base

di tratti complessi (e.g.,

resa), attraverso prove

sperimentali in laboratorio / serra /

campo (preferibilmente)

ORGANO

PIANTA

COLTURA

GENE

CELLULA

MOLECOLA

(Martre et al., 2015; Fiorani et al. 2013)

• Dissezione dei tratti perchè l’integrazione attraverso i diversi livelli di

scala confonde la previsione G-P per caratteri complessi (e.g. resa)

(Hammer et al., 2016; Tardieu and Tuberosa, 2010)

Gerarchia dei tratti: esempio Sistemi colturali 19 Maggio 2016

Sinclair et al. (2004)

L’ideotipo di riso

Sistemi colturali 19 Maggio 2016

Miglioramento dell’harvest index attraverso:

o Riduzione dell’altezza

o Spighe più grandi

o Meno culmi ma più produttivi

Ottimizzazione

dell’assorbimento di radiazione attraverso:

o Foglie più erette

Peng et al. (2008); Dingkhun et al. (2015); Kush (2001)

L’incremento di resa ottenuto nel corso dei decenni ottenuto

selezionando per specifici tratti, ad esempio:

Problematiche

• Centinaia di genotipi da valutare “in contemporanea”

• In più località

• Spesso, molteplici tratti da misurare

elevate risorse necessarie (costi e tempo) (White et al., 2012)

Spesso pochi strumenti sono disponibili (costosi!)

Misure molto onerose in termini di tempo

Si tendono ad usare campioni piccoli (rappresentativi?)

• Phenotyping a-sincrono e con sample sizes non ottimali

• Incertezza???...potrebbe essere maggiore

delle differenze tra genotipi!

Sistemi colturali 19 Maggio 2016

Problematiche

Sistemi colturali 19 Maggio 2016

(Miflin et al., 2001)

Plant Phenotyping: collo di bottiglia che impedisce di sfruttare

appieno i benefici dati dall’enorme progresso delle tecnologie per l’analisi del genoma

High-troughput phenotyping

Sistemi colturali 19 Maggio 2016

• Phenodyn

• Plant accelerator

• In alcuni contesti,

tecniche di misura

basate su molti

strumenti poco costosi possono

essere la soluzione

ottimale

• Field phenotyping rimane insostituibile

“Cheaper solutions with acceptable compromises in accuracy and sensitivity need to be developed, especially for deployment in the field (from portable instruments to ground-

based and flying platform” (Fiorani et al. 2013)

Alcuni tratti di interesse

Sistemi colturali 19 Maggio 2016

Tratto Strumentazione (e.g.) Riferimenti

bibliografici

(e.g.)

Leaf area index (LAI) • Planimetro

• PocketLAI

• Fotografia emisferica

• Reflectance (relationships with

vegetation indices)

Royo et al. (2004)

Borrel et al. (2000)

Casedeus and

Villegas (2014)

Haboudane et al.

(2004)

Concentrazione di N

fogliare (greeness)

• Analizzatore

elementare

• PocketN

• SPAD

• Reflectance

Graziani et al.

(2010)

Vigneau et al.

(2011)

Cabangon et al.

(2011)

Babar et al., (2006)

Alcuni tratti di interesse

Sistemi colturali 19 Maggio 2016

Tratto Strumentazione (e.g.) Riferimenti

bibliografici

(e.g.)

Altezza • Metro Zhang et al. (2014)

Tolleranza alla

sterilità da stress termici

• Valutazione visuale

(n° cariossidi vuote/n°totale

cariossidi)

Shah et al. (2011)

Jagadish et al.

(2009)

Resistenza a patogeni fungini (%

tessuto colpito)

• Valutazione visuale • PocketD

• Spectral reflectance

• Hyper-spectral

imaging

Kongprakhon et al.

(2009)

Faivre-Rampant et

al. (2010)

Huang et al. (2007)

Leaf angle/distribution

Sistemi colturali 19 Maggio 2016

Tratto Strumentazione

(e.g.)

Riferimenti

bibliografici (e.g.)

Angolo di inclinazione delle

foglie /

distribuzione

dell’inclinazione delle superfici

fotosintetizzanti nella

canopy (angolo

medio)

• Valutazione visuale

• Inclinometro

• Fotografia

digitale • LAI-2000

• Stereo imaging

• PocketK (!!!)

Li et al. (2015)

Deckmyn et al (2000)

Zou et al. (2014)

Biskhup et al. (2007)

Pisek et al. (2011)

Leaf angle

• Valutazione visuale: schede IRRI (International Rice Research Institute)

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Flag Leaf Angle (FLA)

Flag Leaf Angle (FLA)

NOTE: Leaf angle is measured near the collar as

the angle of attachment between the flag leaf

blade and the main panicle axis.

Sample size = 5

At growth stage: 4-5

Code

1 Erect

3 Intermediate

5 Horizontal

7 Descending

Leaf angle

• Valutazione visuale (Sakamoto et al. 2006, Nature biotechnology)

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Mutante per la sintesi di precursori dei brassinosteroidi: foglie più erette

Leaf angle/distribution

• Inclinometro

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Leaf angle/distribution Sistemi colturali 19 Maggio 2016

• Inclinometro digitale

Leaf angle/distribution

• 3D reconstruction

• Digital images processing

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(e.g., Biskup et al., 2011)

(e.g., Pisek et al., 2011; Ryu et al., 2010; Zou et al., 2014)

Stima del coefficiente k

• Li-Cor LAI-2000 PCA

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Leaf angle/distribution

• Fitting distribution

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PocketK

• Che strumenti useremo? Quindi esattamente…che cosa

misureremo? Leaf angle and/or leaf angle distribution?

• Protocollo? …su che foglie?

Quante misure per foglia?

A che distanza?

• …

References

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Sistemi colturali 19 Maggio 2016

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