L’uomo ha iniziato a manipolare le piante dall’inizio dell’agricoltura. οἰνοχόη Nella sua forma primitiva, questa attività prese l’avvio con il passaggio dell’uomo da una condizione di cacciatore-raccoglitore ad una di allevatore-agricoltore, processo graduale durante il quale le piante di interesse agrario furono trasformate da naturali (wild) a domesticate.

Fotografia al SEM di un seme carbonizzato di chenopodiacea domesticata (USA). Nella parte superiore della foto notare i tegumenti esterni molto fini. La domesticazione frequentemente da luogo a una riduzione dello spessore dei tegumenti esterni che non permettono al seme stesso di rimanere dormiente per anni nel terreno prima di germinare.

L’attività agricola si basa su un insieme di scoperte e di invenzioni. Durante le prime fasi dell’agricoltura l’uomo sviluppò quanto è ancora alla base del miglioramento genetico, la selezione, l’arte di discernere tra la variabilità biologica presente all’interno di una popolazione al fine di individuare le varianti più interessanti. La selezione implica la presenza di variabilità genetica. All’inizio del lavoro di selezione, la variabilità utilizzata era di origine naturale e la selezione basata unicamente sull’intuizione e la capacità di giudizio dell’operatore. Il moderno miglioramento genetico sfrutta invece approcci tecnologicamente avanzati per rendere il processo selettivo più preciso ed efficiente (l’arte si è trasformata in scienza).

Species tot numeramus quot a principio creavit infinitum Ens LINNEO Species tot numeramus quot a principio creavit infinitum Ens CAMERARIUS

A. Eredità dei caratteri acquisiti FAIRCHILD KOELREUTER A. Eredità dei caratteri acquisiti B. Impulso interno verso l’evoluzione insita negli organismi LAMARCK

Il testo più importante di Darwin è On the Origin of Species by Means of Natural Selection, or the Preservation of favoured Races in the Struggle for Life (1859) ma lo scienziato tentò anche di spiegare l’ereditarietà dei caratteri nel volume Variation of Animals and Plants under Domestication (1868) che contiene la teoria della pangenesi e la ipotesi delle gemmule.

L’ipotesi delle gemmule non sembra funzionare On heredity, 1883 WEISMANN ROMANES GALTON L’ipotesi delle gemmule non sembra funzionare On heredity, 1883 Ipotesi del germplasm nelle germ cells Neo Darwinismo

1865

1937, Genetics and the origin of species – La 2a sintesi FISHER DOBZHANSKY 1930, la 1a sintesi 1937, Genetics and the origin of species – La 2a sintesi De VRIES Pangeni

Avery, McLeod and Mc Carthy (1944) Mutagenesi Avery, McLeod and Mc Carthy (1944) Con Watson e Crick gli scienziati hanno iniziato a comprendere le basi molecolari della ereditarietà e nuove tecnologie molecolari sono state sviluppate per facilitare il miglioramento genetico. Attualmente è acquisita la capacità di superare il processo sessuale e di trasferire geni virtualmente da qualsiasi organismo a qualsiasi altro (Ingegneria Genetica).

Cellula eucariotica

Cellula procariotica

Esperimento di Griffith (1928)

Esperimenti di Avery, McLeod e McCarty (1944)

Identificazione della natura chimica del principio trasformante

Ciclo di un virus batteriofago

Esperimento di Hershey e Chase (1952)

Esperimento di Fraenkel-Conrat (1952)

Componenti degli acidi nucleici

Alcapronuria: Garrod e l’ipotesi un gene un enzima (1902)

Un gene una catena polipeptidica …..e oltre

Chargaff e la corrispondenza tra purine e pirimidine

Wilkins Franklin Immagine della molecola di DNA ottenuta da Franklin mediante tecniche di cristallografia a raggi x

Modello semplificato di molecola di DNA, forma B 3,4 angstrom 34 angstrom Modello semplificato di molecola di DNA, forma B 1 angstrom = 1 x 10-10 metri 20 angstrom

Modello di replicazione del DNA secondo l’ipotesi di Watson e Crick

Esperimento di Meselson e Stahl (1958)

Sintesi di DNA in vitro realizzata da Kornberg et al Sintesi di DNA in vitro realizzata da Kornberg et al. Operando con sistemi acellulari di E. coli.

Azione della DNA polimerasi

Sintesi discontinua Sintesi continua

Replicazione del DNA in E. coli Complesso di innesco Topoisomerasi Replicazione del DNA in E. coli

Schema di elettroforesi di DNA su gel di agarosio

Curva di fusione di DNA batterico

Restrizione

Azione della DNA polimerasi I Schema di reazione a catena della polimerasi (PCR)

Sequenziamento del DNA secondo la tecnica Sanger

Schema di metodo shotgun per il sequenziamento dei genomi

Dogma centrale della biologia molecolare (RNA messaggero: mRNA) Dogma centrale della biologia molecolare RNA ribosomiale di E. coli RNA di trasferimento - tRNA

Traduzione del messaggio ereditario: sintesi proteica Piccoli RNA (normalmente 20-30 nucleotidi) negli eucarioti – intervengono nella regolazione di numerosi processi cellulari, spesso impedendo la traduzione dell’mRNA. Ribozimi - RNA catalitici Traduzione del messaggio ereditario: sintesi proteica Problema: 4 basi azotate devono codificare per 20 aminoacidi; secondo Gamow il linguaggio si deve basare su almeno 3 basi per aminoacido perché: 1 base = 1 aminoacido; al massimo si potrebbero codificare 4 aminoacidi; 2 basi = 1 aminoacido; al massimo si potrebbero codificare 42 = 16 aminoacidi; 3 basi = 1 aminoacido; al massimo si potrebbero codificare 43 = 64 aminoacidi, un numero ampiamente superiore ai 20 aminoacidi presenti. Quindi il codice viene letto a triplette.

Inizio della traduzione in E. coli

Allungamento e terminazione della catena polipeptidica

Trascrizione e traduzione nei procarioti

Il gene

Geni discontinui negli eucarioti

Relazioni tra DNA, RNA e proteine secondo la concezione attuale

Genotipo: costituzione genica di un individuo come risulta dall’insieme dei geni. L’interazione tra il genotipo e l’ambiente da il fenotipo. Si ha: Genetica molecolare Genetica cellulare Genetica dello sviluppo Genetica familiare Genetica di popolazione Genetica evolutiva

DNA BATTERICO E PLASMIDI

Numero cromosomico somatico (2n): il numero di cromosomi contenuti nelle cellule somatiche dell’individuo. Il numero cromosomico somatico contiene due serie complete di cromosomi, uno di origine paterna e uno di origine materna. Ogni cromosoma materno ha un omologo paterno. Numero cromosomico gametico (n): numero di cromosomi presenti nei gameti che costituisce il genoma aploide o complemento di base.

Cariogramma di suino maschio, 2n=2x=38

Struttura e morfologia di un cromosoma

Cromosoma metafasico

Genoma plastidiale (cpDNA, tra 50 e 400 kb) Genoma mitocondriale (mtDNA, < a 20 kb negli animali, fino a 2.500 kb nelle piante) Genoma plastidiale (cpDNA, tra 50 e 400 kb)

Mitosi

Mitosi in cellule radicali di Vicia faba L., 2n=2x=12

Ciclo cellulare

Crossing-over Fasi della meiosi nella microsporogenesi di frumento duro, Triticum durum Desf., 2n=4x=28

Due sono i meccanismi che producono ricombinazione: la disposizione casuale dei centromeri paterni e materni in metafase I (ricombinazione intercromosomica); 2. Il crossing over (ricombinazione intracromosomica). La probabilità che un centromero paterno vada a un polo è pari al 50% (1/2); la probabilità che due particolari centromeri paterni vadano allo stesso polo è il 25% (1/2)2; in una specie con 23 coppie cromosomiche la probabilità che tutti i centromeri paterni vadano ad un polo è pari a (1/2)23 . La probabilità che a un polo vadano tutti i centromeri paterni o tutti i materni è pari a (1/2)n-1, dove n è il numero delle coppie cromosomiche. Pertanto la probabilità che un individuo umano produca un gamete con tutti i centromeri o paterni o materni è (1/2)22, inferiore a 1 su 4 milioni!

Segregazione: la separazione dei cromosomi omologhi, e con essi dei geni, durante la meiosi. E’ il processo che rende possibile la Ricombinazione dei geni nelle discendenze. Ricombinazione: la formazione di gameti nell’ibrido con combinazioni diverse rispetto a quelle presenti nei gameti dei suoi genitori. Per i geni ubicati su coppie diverse di cromosomi omologhi è la conseguenza della disposizione casuale dei centromeri paterni e materni in metafase I della meiosi (ricombinazione intercromosomica); per i geni associati è la conseguenza del crossing-over (ricombinazione intra-cromosomica).

Alternanza di fase, alternanza di generazione