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Piante per il futuro: natura, scienza e società Paola Bonfante Dipartimento di Scienze della Vita e Biologia dei sistemi dell'Università di Torino Incontri.

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Presentazione sul tema: "Piante per il futuro: natura, scienza e società Paola Bonfante Dipartimento di Scienze della Vita e Biologia dei sistemi dell'Università di Torino Incontri."— Transcript della presentazione:

1 Piante per il futuro: natura, scienza e società Paola Bonfante Dipartimento di Scienze della Vita e Biologia dei sistemi dell'Università di Torino Incontri del Giovedì Il tempo della Scienza INRIM, Strada delle Cacce 91, Torino

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3 La storia delle piante si intreccia con la storia dell’uomo e della società specie di vegetali ma 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 anni la tendenza è evidente: i cacciatori raccoglitori sono diventati agricoltori

4 Plants for FOOD Come si è nutrita l’umanità finora? Le Piante producono miliardi di Kg di carboidrati ogni anno

5 Proverbio Philip J. White Plant Nutritional Genomics A man who has food has many problems A man who has no food has only one

6 … Grazie ai selezionatori…

7 © 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 - Planting seeds from “good” plants increased their representation in subsequent generations

8 Decrease in branching and increase in seed size were also selected for Image credit Nicolle Rager Fuller, National Science Foundation

9 © 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 FoundationNicolle Rager Fuller

10 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 selezioni RIVOLUZIONE VERDE

11 La Rivoluzione verde “l’uomo che disinnescò la bomba dell’aumento della popolazione umana” Norman Borlaug breeding wheat for Mexico Nobel Peace Prize 1970

12 La rivoluzione verde Agricoltura ad alta resa con elevato input di sostanze chimiche Alta resa: migliore assorbimento dei nutrienti, maggior biomassa Rapida 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, USA Riso: varietà Japonica e Indica Oryza sativa L. ssp. japonica Oryza sativa L. ssp. Indica a

13 La rivoluzione verde si basa sulle tecniche del miglioramento genetico Alta resa Rapida maturazione Habitus di crescita semi-nano Resistenza alle malattie Adattabilità alle condizioni locali Applicazione di fertilizzanti inorganici erbicidi e fitofarmaci Tecnologia di irrigazione, macchine …. Le conseguenze….

14 Quante calorie al giorno?

15 L’altra faccia della moneta Cibo sicuro e salutare per tutti ? Le conseguenze sull’ambiente

16 La sfida - Cibo sufficiente per 9 Miliardi E la terra da coltivare?

17 Natura Agricoltura Società Da national geographic, italia

18 Contraddizioni tra Natura/Agricoltura Biodiversità/Sviluppo Per l’uomo? Per l’ambiente? Ma si può tornare indietro?

19 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

20 The Human Genome Project2001 Stele di Rosetta

21 Nel regno delle piante Arabidopsis thaliana Oryza sativa Populus tremula

22 Riso: la stele di Rosetta

23 487 M di basi 19 cromosomi geni September 2007

24 Genome sequence and analysis of the tuber crop potato Nature 475, , 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

25 La grande carestia in Irlanda dal 1845 al 1847 Phytophthora infestans

26 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: Photo couresy of Adam Barclay CPS, IRRI Photo Adam Barclay Swarna – high yielding, flooding sensitive Submergence tolerant parent Swarna-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 Marker assisted selection (MAS: Selecting for DNA markers instead of phenotipic markers

27 © 2013 American Society of Plant Biologists Genetic Modification (GM) is another breeding method Elite tomatoPoor 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

28 © 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 vegetatively 2. Genetic resources not required Photo credits: Gramene.orgGramene.orgPhoto credits: Gramene.org ETH Life InternationalGramene.orgETH Life International

29 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

30 Symbiont fungi Plants Mycorrhizae Microbiota: Not only Prokaryotes Fungi are important components of the plant microbiome Symbiosis is crucial for understanding many evolutionary events

31 Arbuscular mycorrhizas: mutualism P C

32 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 ESThttp://www.kazusa.or.jp list at 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:11 μ m Oligo probe length:25mer Housekeeping genes: GAPDH Ubiquitin Actin Tubulin PP2A cRNA RNA Regulated genes Mike Guether 95 protein turnover, cell wall, membrane dynamics 47 transporters 24 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

33 Do fruits from tomato plants respond to AM fungi? An RNA-seq approach Focus on tomato A flag for the mediterranean food A model organism for plant biology Systemic effects: another key for AM success ? Zouari et al 2014 BMC Genomics

34 Effect on fruit production and phenology Phenotypical approach Transcriptomic approach Effect on global fruit gene expression Metabolic approach Effect on the amino acid fruit content Salvioli et al 2012 BMC Plant biology Zouari et al BMC 2014 Micro-Tom MoneymakerAilsa 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 ?

35 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

36 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?

37 Grazie per la vostra attenzione G.Penone


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