Piano Sementiero Nazionale per l’Agricoltura Biologica

Presentazione dei risultati del primo anno di attività

Roma, 24 maggio 2011

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

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 UNISSDott. Bruno Campion CRA di Montanaso Lombardo CRAAIAB (Associazione Italiana per l’Agricoltura Biologica)

Nuova varietà

Variabilità genetica

SelezioneIncroci

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

Colli di bottiglia

Diversità

tempo (anni)

- selezione+ mutazione

Elite

>>

Landraces

>>

Forme selvatiche

>>

Specie selvatichespeciazione

domesticazione

breeding

100

•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.

•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

Pool genico secondario e terziario

Germoplasma non adattato:

Varietà migliorate (es. appartenenti a differenti pool genici)

Varietà locali

Forme selvatiche

Pool genico primario

Specie selvatiche

Altre Specie

Fonti di diversità genetica

Velocità

Facilità

Effetto

Germoplasma adattato: varietà migliorate

Diversità Genetica

MiglioramentoGenetico

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

PRESUPPOSTOPRESUPPOSTO

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

Introgressione di tre diversi segmenti genomici del parentale selvatico in pomodoro

L’incremento produttivo e’ risultato pari al 50% rispetto al migliore ibrido commerciale.

XX

DomesticatoDomesticatocultivar E6203cultivar E6203

SelvaticoSelvatico(L. hirsutum)(L. hirsutum) ProgenieProgenie

Utilizzo di germoplasma Utilizzo di germoplasma non adattatonon adattato

ProblemiProblemi

Dominanza di gran parte degli alleli

selvatici

Presenza nelle forme selvatiche di molte

caratteristiche sfavorevoli

Presenza di vari livelli di

incompatibilità

Elevato livello di distorsione della segregazione che

limita l’entitàdell’introgressione dalle

forme selvatiche

Genomics(and other “ …omics”),

bioinformatics

Molecular markertechnology

UTILIZZATI per una efficiente ed accurata detectione caratterizzazione dei prodotti dell’introgressione

Wheat 7A (Rice )

AssociazioneNon associazione

Marcatori associati a geni e QTLs di importanza agronomica

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.

PROGETTO PILOTA applicato al Phaseolus vulgaris

Strumenti:

Popolazioni segreganti, metodi di miglioramento genetico basati su selezione fenotipica, prove di progenie e analisi molecolari

Dov’è localizzata la diversità nel genoma del fagiolo?

Nelle regioni che circondano i geni e QTLs della domesticazione nelle forme selvatiche

Un elevato numero di geni potenzialmente utili per il miglioramento genetico verosimilmente localizzato in queste regioni

SelvaticoSelvatico DomesticatoDomesticatoSelvaticoSelvatico DomesticatoDomesticatoselvaticoselvatico domesticatodomesticato

Le stesse regioni presentano una diversità estremamente ridotta nelle forme domesticate

Come fare per utilizzare tale diversità?

shattering NO shattering DormienteDormiente NonNon--dormientedormienteDormienteDormiente NonNon--dormientedormientedormiente 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

F9

MIDAS X MG38

F2

F2:F3

F3:F4

RILRILss

MIDAS x F3

F1

BC4F1BC4F2

F4:F5

F5:F6

F6:F7

BackcrossBackcross

BC4F3

x

BC4F4BC4F5

•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

Linee caratterizzate a livello molecolare oltre che fenotipicamente

Indicazioni sull’associazione marcatore molecolare - carattere fenotipico

Midas

MG38

A01

A03

Midas

MG38

A01

A03

- Analisi con 100 marcatori polimorfici

- Estrazione del DNA genomico dalle 225 linee in esame

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)

Samplesize

Num

ber of

alle

lesc

aptu

red

200

220

240

260

280

300

320

340

360

380

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Samplesize

Num

ber of

alle

lesc

aptu

red

200

220

240

260

280

300

320

340

360

380

0 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

- Diverse combinazioni d’incrocio utilizzando il genotipo domesticato come parentale femminile, i genotipi selvatici come donatori di polline.

•Realizzazione degli incroci

- Allevamento in serra delle accessioni selvatiche in 2 repliche durante l’inverno (2010) con il parentale domesticato.

Attualmente 7 diverse linee F1 sono allevate in serra per effettuare un primo reincrocio col parentale domesticato

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).

RISULTATI E PROSPETTIVE

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)