Piante per il futuro: natura, scienza e società Incontri del Giovedì 2014 - Il tempo della Scienza INRIM, Strada delle Cacce 91, Torino Piante per il futuro: natura, scienza e società  Paola Bonfante Dipartimento di Scienze della Vita e Biologia dei sistemi dell'Università di Torino

La storia delle piante si intreccia con la storia dell’uomo e della società 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 240000 specie di vegetali ma una decina sfama l’umanità

Come si è nutrita l’umanità finora? Plants for FOOD Come si è nutrita l’umanità finora? Le Piante producono 160.000 miliardi di Kg di carboidrati ogni anno

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

… Grazie ai selezionatori…

Genetic modification arose as a consequence of cultivation Planting seeds from “good” plants increased their representation in subsequent generations 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

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

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 selezioni RIVOLUZIONE VERDE

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

N, P, K 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 N, P, K Oryza sativa L. ssp. japonica Oryza sativa L. ssp. Indica a

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….

Quante calorie al giorno? http://chartsbin.com/view/1150

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

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

Natura Agricoltura Società Da national geographic, italia

Biodiversità/Sviluppo 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 Project2001 Stele di Rosetta

Nel regno delle piante Arabidopsis thaliana Oryza sativa Populus tremula

Riso: la stele di Rosetta

September 2007 487 M di basi 19 cromosomi 30 000 geni

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

Marker assisted selection (MAS: Selecting for DNA markers instead of phenotipic markers 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 2010. 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.

Genetic Modification (GM) is another breeding method Recombinant DNA (or GM) allows a single gene to be introduced into a genome. This method can be faster than conventional breeding Elite tomato Poor tomato but disease resistant Elite, disease resistant tomato

Why are GM methods used sometimes and molecular breeding others? 1. Desired trait must be present in population 2. Genetic resources must be available 3. Plant should be propagated sexually GM 3. Plant can be propagated vegetatively 1. Gene can come from any source 2. Genetic resources not required Photo credits: Gramene.org ETH Life International Photo credits: Gramene.org

The Plant Microbiota + = The plant microbiota: an innovative approach to investigate plant biology and cultivation Beneficial microbes promote plant growth by metabolites and hormone secretion micronutrient (N,P,Fe) release increase of plant resistance to biotic and abiotic stresses

Microbiota: Not only Prokaryotes Fungi are important components of the plant microbiome Symbiont fungi Plants Mycorrhizae Quando vcompare il gruppo 8, deve sparire il titolo Symbiosis is crucial for understanding many evolutionary events 30

Arbuscular mycorrhizas: mutualism P C

Genome-wide reprogramming: new emerging functions Guether et al 2010) Guether et al 2009 submitted Giovannetti et al 2012 In preparation 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 Affymetrix Microarray Mike Guether RNA cRNA No. of probe sets: L.j. >50,000 No. of transcripts: M.loti ~ 11,000 Array format: 49 Feature size: 11μm Oligo probe length: 25mer Housekeeping genes: GAPDH Ubiquitin Actin Tubulin PP2A Lotus japonicus + Gigaspora margarita Regulated genes 95 protein turnover, cell wall, membrane dynamics 47 transporters 24 TFs Guether et al., New Phytol 2009 32

Systemic effects: another key for AM success ? Focus on tomato A flag for the mediterranean food A model organism for plant biology To this aim, We didn’t restrict our research to the transcriptomic studies but we tried to combine different approaches to which cover different aspects of this effect: Do fruits from tomato plants respond to AM fungi? An RNA-seq approach Zouari et al 2014 BMC Genomics

How to study systemic effects of AM fungi on tomato fruits ? Effect on fruit production and phenology Phenotypical approach Transcriptomic Effect on global fruit gene expression Metabolic Effect on the amino acid fruit content Salvioli et al 2012 BMC Plant biology Zouari et al BMC 2014 To this aim, We didn’t restrict our research to the transcriptomic studies but we tried to combine different approaches to which cover different aspects of this effect: Micro-Tom Moneymaker Ailsa Craig and mutants in ripening light signalling Different fertilization conditions 3,2µM P 300µM P 3,8mM P

Pianta micorrizata e pianta fertilizzata: 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

Piante per il Futuro: quali aspettative? 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

Grazie per la vostra attenzione G.Penone