Piano Sementiero Nazionale per l’Agricoltura Biologica Presentazione dei risultati del primo anno di attività Miglioramento genetico ed ampliamento della base genetica delle specie coltivate per l’agricoltura biologica Laura Nanni nell’ambito del Programma di Azione Nazionale per l’Agricoltura Biologica e i Prodotti Biologici   Roma, 24 maggio 2011

Miglioramento genetico e ampliamento della base genetica del fagiolo e fagiolino per l’agricoltura biologica e avvio di un programma di miglioramento genetico partecipativo collaborazioni con: Prof.ssa Giovanna Attene – Dipartimento di Scienze Agronomiche e Genetica Vegetale Agraria - Università degli Studi di Sassari UNISS Dott. Bruno Campion CRA di Montanaso Lombardo CRA AIAB (Associazione Italiana per l’Agricoltura Biologica)

Nuova varietà Variabilità genetica Selezione Incroci La variabiltà è il motore che spinge il miglioramento genetico verso le sfide future L’Incremento della produzione agricola dovrà derivare principalmente da un aumento sostenibile di produttività dei sistemi agricoli.

I sistemi di agricoltura sostenibile implicano un utilizzo più ampio della diversità genetica delle colture e degli agro-ecosistemi. Nuova variabilità genetica Agro-ecosistemi più diversificati La diversità si è ridotta notevolmente in seguito al processo di domesticazione e al miglioramento genetico moderno

Diversità >> >> >> Colli di bottiglia tempo (anni) selezione + mutazione Diversità speciazione Specie selvatiche Forme selvatiche >> domesticazione Landraces >> breeding Elite >> Colli di bottiglia 100 tempo (anni)

Interazione genotipo- ambiente Nuovi caratteri L'adozione di nuove pratiche agronomiche e lo sviluppo di nuovi agro-ecosistemi implica che nuovi caratteri devono essere oggetto dei programmi di miglioramento genetico Interazione genotipo- ambiente Nei sistemi agricoli sostenibili sono più diversificati gli ambiti produttivi ed emerge l’esigenza di avere un quadro varietale altrettanto diversificato. L’interazione genotipo x ambiente assume particolare rilevanza e la selezione per adattamenti specifici diviene più importante che in agricoltura convenzionale.

Miglioramento Diversità Genetica Genetico PRESUPPOSTO E’ quindi cruciale, per pianificare una efficiente utilizzazione della diversità genetica nel miglioramento genetico delle piante coltivate, un’ approfondita conoscenza della struttura della diversità genetica delle specie su cui si intende operare Effetto Fonti di diversità genetica Germoplasma adattato: varietà migliorate Germoplasma non adattato: Varietà migliorate (es. appartenenti a differenti pool genici) Varietà locali Forme selvatiche Pool genico primario Pool genico secondario e terziario Specie selvatiche Velocità Facilità Altre Specie

Nell’ottica di un’ agricoltura sostenibile, il ruolo dell’introgressione di nuove varianti genetiche dalle varietà locali e dai progenitori selvatici è considerato un fattore chiave per un miglioramento genetico di successo L’idea che sia pensabile trasferire dei geni dalle forme selvatiche che hanno l’effetto di rendere ancora più etreme queste caratteristiche può apparire paradossale 9

Introgressione di tre diversi segmenti genomici del parentale selvatico in pomodoro L’incremento produttivo e’ risultato pari al 50% rispetto al migliore ibrido commerciale.

Selvatico (L. hirsutum) Domesticato cultivar E6203 Progenie X

Utilizzo di germoplasma non adattato Problemi Dominanza di gran parte degli alleli selvatici Elevato livello di distorsione della segregazione che limita l’entità dell’introgressione dalle forme selvatiche Presenza di vari livelli di incompatibilità Presenza nelle forme selvatiche di molte caratteristiche sfavorevoli

But… how do you choose the right progeny at each step But… how do you choose the right progeny at each step? Molecular maps and marker assisted selection are crucial, but you need to know the markers associated with your trait. 13

UTILIZZATI per una efficiente ed accurata detection Genomics (and other “ …omics”), bioinformatics Wheat 7A (Rice ) Molecular marker technology Marcatori associati a geni e QTLs di importanza agronomica UTILIZZATI per una efficiente ed accurata detection e caratterizzazione dei prodotti dell’introgressione

E’ necessario promuovere un’attività sistematica di introgressione di geni dalle forme selvatiche e dalle varietà locali nelle varietà migliorate al fine di: Sviluppare materiale genetico per le aziende sementiere Identificare la base genetica della variazione fenotipica per caratteri di interesse

Obiettivo dell’iniziativa: migliorare le caratteristiche produttive, di adattamento e qualitative delle cultivar utilizzate nell’agricoltura biologica attraverso: a) l’utilizzazione della diversità genetica contenuta nelle varietà locali e nei progenitori selvatici delle specie coltivate; b) lo sviluppo e l’utilizzazione di metodologie molecolari per la selezione assistita. Strumenti: Popolazioni segreganti, metodi di miglioramento genetico basati su selezione fenotipica, prove di progenie e analisi molecolari PROGETTO PILOTA applicato al Phaseolus vulgaris

Dov’è localizzata la diversità nel genoma del fagiolo? selvatico domesticato Nelle regioni che circondano i geni e QTLs della domesticazione nelle forme selvatiche Le stesse regioni presentano una diversità estremamente ridotta nelle forme domesticate Un elevato numero di geni potenzialmente utili per il miglioramento genetico verosimilmente localizzato in queste regioni

MIGLIORAMENTO GENETICO Come fare per utilizzare tale diversità? shattering NO shattering dormiente NON dormiente Rottura dell’associazione fra gli alleli non desiderati e alleli potenzialmente utili nel miglioramento genetico. MIGLIORAMENTO GENETICO Ricombinazione all’interno delle isole della domesticazione MAS Marcatori molecolari per favorire l’introgressione mirata e l’eliminazione dei geni non desiderati

Caratterizzazione di linee di introgressione (ILs) MIDAS x G12873 Caratterizzazione di linee di introgressione (ILs) F9 MIDAS X MG38 RILs F2 F2:F3 Backcross MIDAS x F3 F3:F4 x F1 F4:F5 BC4F1 F5:F6 BC4F2 BC4F3 F6:F7 BC4F4 BC4F5

Moltiplicazione invernale stagione invernale (2009-2010) moltiplicazione in serra di 100 +125 linee BC4F5 x 2 prove replicate Totale: 450 piante BC4F6 Valutazione fenotipica per caratteri morfo-fenologici e qualitativi

Valutazione molecolare - Estrazione del DNA genomico dalle 225 linee in esame - Analisi con 100 marcatori polimorfici Linee caratterizzate a livello molecolare oltre che fenotipicamente Indicazioni sull’associazione marcatore molecolare - carattere fenotipico

La selezione fenotipica e molecolare ha permesso l’individuazione di alcune linee interessanti e promettenti 22 linee sono già state allevate (2010) in un esperimento replicato in pieno campo in condizioni di agricoltura biologica Azienda agraria certificata Biologico e salute “Madonna delle Api”, Osimo (AN)

Valutazione per caratteri morfo-fenologici e selezione per caratteri legati alla produttività 10 linee migliori del parentale domesticato in condizioni di agricoltura biologica

Costituzione di popolazioni segreganti fra forme selvatiche e domesticate Identificazione dei parentali selvatici Analisi di un campione di oltre 100 genotipi selvatici rappresentativo della distruibuzione del P. vulgaris con oltre 300 marcatori polimorfici (AFLP, SSR, cpSSR e SNPs) Sample size Number of alleles captured 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Individuati 12 genotipi rappresentativi di tutta la diversità presente in fagiolo, campionati tutti gli alleli selvatici

Realizzazione degli incroci - Allevamento in serra delle accessioni selvatiche in 2 repliche durante l’inverno (2010) con il parentale domesticato. - Diverse combinazioni d’incrocio utilizzando il genotipo domesticato come parentale femminile, i genotipi selvatici come donatori di polline. Attualmente 7 diverse linee F1 sono allevate in serra per effettuare un primo reincrocio col parentale domesticato

RISULTATI E PROSPETTIVE ILs fonte di geni utili da utilizzare (negli anni successivi) sia direttamente per incroci su diversi background varietali di fagiolo e di fagiolino, sia per combinare diversi loci di interesse in un unico genotipo (piramiding). Sviluppo di marcatori molecolari di ultima generazione (SNPs - Single nucleotide polimorphisms) per l’analisi e la caratterizzazione dei materiali oggetto di miglioramento genetico Individuare i loci associati alla variazione fenotipica mediante l’identificazione di associazioni significative marcatore-carattere, da utilizzare per la selezione assistita (MAS) Sviluppo di programmi di breeding i cui obiettivi nascano dalle reali esigenze degli agricoltori

- Sezione Agronomia e Genetica Agraria Dipartimento SAPROV-UNIVPM Alessandro Giardini, Elena Bitocchi, Elisa Bellucci, Daniela Goretti, Eleonora Biagetti, Laura Nanni - Dipartimento di Scienze Agronomiche e Genetica Vegetale Agraria - Università degli Studi di Sassari Giovanna Attene (Caratterizzazione ILs) - Bruno Campion, CRA di Montanaso Lombardo CRA: (Costituzione Popolazioni Segreganti) - AIAB (Associazione Italiana per l’Agricoltura Biologica) (Breeding Partecipativo)