Miglioramento genetico assistito dalla genomica

Selezione delle piante sulla base del loro profilo ai marcatori genetici

molecolari e non sulla base del fenotipo, in una o più delle fasi di un

programma di miglioramento genetico

Da Wikipedia: Marker-assisted selection (selezione assistita da marcatori)

Processo con il quale un marcatore (morfologico, biochimico o basato sul DNA/RNA), è

usato per la selezione indiretta di uno o più determinanti genetici che controllano un

carattere di interesse.


PRO e CONTRO della selezione assistita PRO •  Per molti caratteri, lo screening con marcatori è meno costoso della valutazione fenotipica •  La selezione assistita con marcatori può essere svolta coni piccole quantità di tessuto (es. parte di

seme) e non richiede di attendere l’espressione fenotipica del carattere nella pianta adulta •  I risultati del profilo molecolare non sono influenzati da fattori ambientali •  La selezione è efficace anche per caratteri a bassa ereditabilità •  I marcatori consentono di piramidare (concentrare) più geni per lo stesso carattere (es. geni di

resistenza) nella stessa pianta (la selezione fenotipica è poco efficiente per lo stesso obiettivo) •  Rilascio di nuove varieta’ piu’ breve di 2-3 anni rispetto ai metodi convenzionali (6-7 invece che 8-10)

CONTRO •  Per essere applicata per un determinato carattere, occorre che sia stata stabilità l’associazione tra il

carattere ed un marcatore in studi precedenti •  Richiede la disponibilità di piattaforme tecnologiche e programmi di breeding specifici •  Diffusa nelle specie agrarie principali, a causa degli alti costi fissi richiesti dalla disponibilità delle

tecnologie molecolari e della necessità di avere a disposizione conoscenze genetico-molecolare della specie

•  Persistente mancanza di conoscenza su vari aspetti del controllo genetico dei caratteri complessi (es. interazioni ‘effetto-marcatore-A’ x ‘effetto-marcatore-B’ oppure interazioni marcatore x ambiente)


PRINCIPALI FORME DI SELEZIONE ASSISTITA

1. Selezione basata su loci (QTL/geni) mappati •  Marker-assisted selection (MAS) = Selezione assistita da marcatori •  Marker-assisted backcrossing (MABC) = reincrocio assistito da marcatori •  Breeding by design (BBD) •  Marker-assisted recurrent selection (MARS) = selezione ricorrente

assistita da marcatori

2. Selezione con marcatori senza informazioni di mappa di QTL/geni •  Genomic selection (GS) = Selezione genomica


Punti di partenza: 1.  conoscenza del controllo genetico del carattere e 2.  tecnologia = possibilità di analizzare un alto numero di campioni a basso

costo (ad un costo ed efficienza competitivi con la selezione basata sul fenotipo)

•  Sia per preparazione del DNA sia per tipo di marcatore

- Preparazione del DNA …procedure high-throughput a

basso costo per campione


1. Selezione basata su loci mappati   MAS: MARKER-ASSISTED SELECTION (selezione assistita da

marcatori)   Le piante sono selezionate sulla base del profilo molecolare ad uno

od alcuni loci ( fino a 4-6)

  MABC: MARKER-ASSISTED BACKCROSS (Reincrocio assistito da marcatori)   Caso particolare di MAS in cui alleli favorevoli al breeding, ad uno o

più loci) sono trasferiti da un genitore donatore ad una linea elite tramite vari cicli di reincrocio e selezione assistita con marcatori.

  BBD: BREEDING BY DESIGN   A seguito della definizione dell’ideotipo, si progettano incroci multipli

per concentrare nella stessa linea elite la migliore combinazione di alleli, a loci diversi e per caratteri anche molto diversi, con l’obiettivo di raggiungere l’ideotipo.

Marcatori per MAS

•  I marcatori devono essere strettamente concatenati (< 5 cM) ai loci target loci o, idealmente, entro al gene di interesse

•  I marcatori devono essere verificati (presenza del polimorfismo e concatenazione con il locus target) nei background genetici di interesse, prima del loro utilizzo

•  I marcatori dovrebbero essere preferibilmente codominanti

•  E’ in molti casi necessario produrre un tipo di marcatore utilizzabile con tecniche high-throughput a basso costo (eg. SNP) a partire dall’informazione originale di associazione “marcatore – fenotipo”, In ordine di adattabilità alla MAS possiamo elencare:

meno adatti > RFLP, RAPD, AFLP, SSR, STS, SCAR, SNP > più adatti.

Colosseo ATTGCATCTATCTTAAGTAGGT............GTACGTACGTCTGTCAA…………

Lloyd ATTACATCTAGCTGAAGTAGGC............GTACGTACGTCTGTCAA……….

C-specific Fw primer

L-specific Fw primer

Genome-specific Rv primer

M13

3’

3’ 5’

1.0

0.5

0.2

0.1

Kb

0.142

0.123

RIL CxL

3’ 5’

Colosseo

LLoyd

M13 142 bp

123 bp

2.5% Agarose gel

Sviluppo di un test PCR codominante di tipo STS per MAS in frumento duro

Piramidazione a due loci di resistenza

Select homozygotes for R1 and R2 Collard and Mackill, 2008

Selezione assistita con marcatori per sviluppare cultivar di frumento duro resistenti alla Fusariosi

Profili molecolari di piante F2

Locus 1 (QTL 5A)

Locus 2 (QTL 5A)

Locus 3 (QTL 3B)

Da: Enrico Noli, DipSA, University of Bologna

Differenze varietali di resistenza al SBCMV

Marker-assisted backcrossing (MABC) = Reincrocio assistito da marcatori

a)  Selezione per l’allele maggiormente associato al gene (allele) target fornito dal genitore donatore.

1 2 3 4

Target locus

‘TARGET GENE/QTL’ SELECTION

from: Collard and Mackill, 2006

a


a)  Selezione per l’allele maggiormente associato al gene (allele) target fornito dal genitore donatore.

b)  Selezione per gli alleli del genitore ricorrente ai marcatori fiancheggianti il gene target, per ridurre il ‘linkage drag’ a fianco del gene target.

1 2 3 4

Target locus

‘RECOMBINANT’ SELECTION

1 2 3 4


a b



a)  Selezione per l’allele maggiormente associato al gene (allele) target fornito dal genitore donatore

b)  Selezione per gli alleli del genitore ricorrente ai marcatori fiancheggianti il gene target, per ridurre il ‘linkage drag’ a fianco del gene target

c)  Selezione per gli alleli del genitore ricorrente nel resto del genoma (opzionale)

1 2 3 4

Target locus

1 2 3 4

‘RECOMBINANT’ SELECTION

1 2 3 4

‘BACKGROUND’ SELECTION


a b c


96.4 93.3 87.7 75.5

85.5 98.0 100.0

0.5

0.5 1.0

1.0 1.5 2.0 10 50

1.5 from: Ribaut e Hoisington, 1998


Vantaggi del reincrocio assistito rispetto al convenzionale

•  Più veloce recupero del genoma del genitore ricorrente (spesso cultivar elite) e riduzione del problema del ‘linkage drag’

•  Come qualunque tipo di MAS, non è influenzato da fattori ambientali

•  Miglior uso delle risorse del programma di breeding in quanto il numero di linee da mantenere per ciclo di reincrocio ed il numero di cicli da svolgere sono inferiori rispetto al programma tradizionale.

•  Efficiente selezione di alleli recessivi e di individui con eventi di ricombinazione vicini al gene target

Esempio di piramidazione di geni/QTL

From: Takeda and Matsuoka, 2008

Trait(s) Gene/QTLs Foreground selection

Background selection

Reference

Bacterial blight Xa21 STS RFLP Chen et al. (2000)

Bacterial blight xa5, xa13 and Xa21

STS, CAPS not performed Sanchez et al. (2000)

Bacterial blight + quality

xa13, Xa21 STS and SSR AFLP Joseph et al. (2004)

Blast Pi1 SSR ISSR Liu et al. (2003)

Deep roots QTLs on chrs. 1, 2, 7 and 9

RFLP and SSR SSR Shen et al. (2001)

Quality waxy RFLP AFLP Zhou et al. (2003)

Root traits and aroma

QTLs on chrs. 2, 7, 8, 9 and 11

RFLP and SSR RFLP and SSR Steele et al. (2006)

Subemergence tolerance

Sub1 QTL phenotyping and SSR

SSR Mackill et al. (2006)

Subemergence tolerance, disease res., quality

Subchr9 QTL, Xa21, Bph and blast QTLs and quality loci

SSR and STS not performed Toojinda et al. (2005)

Gupta et al. (2010). Molecular Breeding.

La filiera del frumento duro

Ricerca precompetitiva

Industria sementiera

Agricoltore

Industria alimentare

Consumatore

Caratteri selezionati presso la PSB, Argelato Malattie

Oidio

Ruggine bruna

Septoria tritici

Fusariosi

Morfo-fisiologici Qualità

Altezza

Caratteri spiga

Resistenza al freddo

Contenuto proteico

Indice giallo

Qualità glutine

DON

Ruggine gialla

Resistenza alla siccità

Courtesy of Andrea Demontis, PSB, Argelato

QTL effect

QTL effect

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Selezione genomica

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