Lezione 12. Introduzione alle biotecnologie vegetali

Concetti fondamentali delle biotecnologie vegetali, applicazioni e controindicazioni.

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Lezione 12. Introduzione alle biotecnologie vegetali

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Concetti fondamentali delle biotecnologie vegetali, applicazioni e controindicazioni.
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  1. Introduzione alle biotecnologie vegetali

    Slide 1 - Introduzione alle biotecnologie vegetali

    • Che cosa sono le biotecnologie vegetali? Quando sono nate e perché? Su cosa si basano e, soprattutto, sono realmente importanti? Nel tempo il concetto di biotecnologie vegetali si è modificato e oggi sono diverse anche solo rispetto a 10 anni fa…
  2. Utilizzo di organismi viventi in vari processi industriali, come nella produzione di farmaci, ormoni e altri composti chimici, facendo uso di tecniche di biologia molecolare e di ingegneria genetica. Inizialmente, per tali scopi venivano impiegati batteri e funghi, seguiti da piante e, più di recente, da organismi animali. Applicazioni di tipo biotecnologico ormai consolidate comprendono processi microbici come quelli utilizzati nella fabbricazione della birra, nello smaltimento dei liquami e nella produzione di antibiotici.

    Slide 2 - Utilizzo di organismi viventi in vari processi industriali, come nella produzione di farmaci, ormoni e altri composti chimici, facendo uso di tecniche di biologia molecolare e di ingegneria genetica. Inizialmente, per tali scopi venivano impiegati batteri e funghi, seguiti da piante e, più di recente, da organismi animali. Applicazioni di tipo biotecnologico ormai consolidate comprendono processi microbici come quelli utilizzati nella fabbricazione della birra, nello smaltimento dei liquami e nella produzione di antibiotici.

    • A partire dagli anni Settanta, il termine biotecnologia è divenuto parte del vocabolario comune, in coincidenza con lo sviluppo dell'ingegneria genetica. Gran parte della moderna biotecnologia fa uso di batteri e virus alterati geneticamente, che funzionano più efficacemente o in modo diverso dall'organismo originario.
    • L'inoculazione negli organismi di geni che non fanno parte del loro normale patrimonio genetico determina la formazione di organismi detti ricombinanti.
    • Cosa sono le biotecnologie
  3. Tra gli esempi più antichi di ciò che oggi consideriamo tecniche biotecnologiche vi è l'utilizzo di microrganismi per la produzione di birra, vino e altre bevande alcoliche. Il processo alla base di questi fenomeni venne successivamente chiamato fermentazione e nel XIX secolo il biochimico francese Louis Pasteur dimostrò che esso era determinato dalla presenza di specifici microrganismi.

    Slide 3 - Tra gli esempi più antichi di ciò che oggi consideriamo tecniche biotecnologiche vi è l'utilizzo di microrganismi per la produzione di birra, vino e altre bevande alcoliche. Il processo alla base di questi fenomeni venne successivamente chiamato fermentazione e nel XIX secolo il biochimico francese Louis Pasteur dimostrò che esso era determinato dalla presenza di specifici microrganismi.

    • Il lavoro di Pasteur non rivoluzionò soltanto le tecnologie di produzione della birra e del vino, ma servì anche come indicatore del fatto che altri composti chimici potevano essere prodotti con l'impiego dei microrganismi. Durante la prima guerra mondiale il chimico Chauim Weizmann dimostrò che l'acetone poteva essere prodotto con l'utilizzo del batterio Clostridium acetobutylicum.
    • Origini delle biotecnologie
  4. Utilizzo di metodi scientifici con organismi per produrre nuovi materiali o nuove forme di organismi

    Slide 4 - Utilizzo di metodi scientifici con organismi per produrre nuovi materiali o nuove forme di organismi

    • Ogni tecnica che utilizza organismi viventi o sostanze prodotte da questi organismi per generare un prodotto, per migliorare piante o animali o per sviluppare micro-organismi ad uso specifico
    • GMO - organismi geneticamente modificati.
    • GEO - genetically enhanced organisms (organismi geneticamente migliorati)
    • La manipolazione di questi geni è chiamata ingegneria genetica o tecnologia del DNA ricombinante
    • L’ingegneria genetica prevede il trasferimento di uno o più di geni tra diversi organismi
    • Trasferimento verso un altro organismo
    • Trasferimento verso lo stesso organismo originale in combinazioni differenti
    • Definizione di biotecnologia
  5. Biotecnologia antica - produzione di bevande e cibi

    Slide 5 - Biotecnologia antica - produzione di bevande e cibi

    • Biotecnologia classica - fermentazione per la produzione di cibo e medicine
    • Biotecnologia moderna - manipolazione di delle informazioni genetiche negli organismi
    • Multidisciplinarietà
    • Scienze della vita
    • Fisica
    • Scienze sociali
    • Matematica
    • Computer
    • Ingegneria
    • Agricoltura
    • Quali sono i passaggi nello sviluppo delle biotecnologie?
  6. Le biotecnologie vegetali sono multidisciplinari

    Slide 6 - Le biotecnologie vegetali sono multidisciplinari

    • SELEZIONE
    • Bioinformatica
    • Esperimenti in campo
    • Biochimica
    • Colture in vitro
    • Agronomia
    • Biologia
  7. Biotecnologia organismica - usa organismi intatti; non altera il materiale genetico

    Slide 7 - Biotecnologia organismica - usa organismi intatti; non altera il materiale genetico

    • Biotecnologia molecolare – altera il patrimonio genetico per raggiungere scopi precisi
    • Organismi transgenici: un organismo il cui patrimonio genetico è modificato
    • Benefici
    • Medicina
    • Ambiente
    • Agricoltura
    • Produzione di cibo
    • Industria
    • Quali sono le aree ed i benefici della biotecnologia?
  8. Animali e piante come fattorie cellulari?

    Slide 8 - Animali e piante come fattorie cellulari?

  9. Le piante modificate: cifre chiave

    Slide 9 - Le piante modificate: cifre chiave

    • Le colture transgeniche nel mondo
    • SPECIE
    • PAESE
    • ETTARI (migliaia)
    • Soia
    • USA
    • Argentina
    • 13
    • 2
    • Mais
    • USA
    • Argentina
    • Europa
    • 8
    • 0,1
    • 0,1
    • Cotone
    • USA
    • Australia
    • 2
    • 0,3
    • Tabacco
    • Cina
    • 1
    • Legumi
    • USA
    • 0,5
  10. Cellula donatrice – cellula che fornisce il DNA esogeno

    Slide 10 - Cellula donatrice – cellula che fornisce il DNA esogeno

    • Cellula ricevente – cellula che riceve il nuovo DNA
    • Due metodi usati nel trasferimento genico
    • Trasferimento genico mediante Agrobacterium
    • Trasferimento genico mediante il «gene gun»
    • Come si possono creare organismi transgenici?
  11. La selezione comincia con l’agricoltura

    Slide 11 - La selezione comincia con l’agricoltura

  12. Storia della selezione

    Slide 12 - Storia della selezione

    • ANNO
    • EVENTO
    • 1676
    • Scoperta del ruolo degli organi sessuali nella riproduzione delle piante
    • 1880
    • Visualizzazione dei cromosomi
    • 1900
    • Applicazione delle leggi di Mendel sull’ereditarietà
    • 1902
    • Scoperta della totipotenza delle cellule vegetali
    • 1908
    • Scoperta dell’importanza degli ibridi di mais
    • 1953
    • Scoperta della doppia elica del DNA
    • 1960
    • Scoperta del codice genetico
    • 1965
    • Scoperta degli enzimi di restrizione
    • 1977
    • Scoperta del trasferimento genico mediato da Agrobacterium
  13. Incrocio di piante:

    Slide 13 - Incrocio di piante:

    • miglioramento delle piante mediante incrocio di individui selezionati per raggiungere obiettivi specifici. Si può ottenere una cosiddetta cultivar (una varietà di pianta coltivata)
    • Quali sono i metodi della biotecnologia classica?
  14. 1. Metodi di incrocio delle piante

    Slide 14 - 1. Metodi di incrocio delle piante

    • Incrocio “lineare” – incrocio di generazioni successive di piante tra se stesse
    • Incrocio “cross” – incrocio di piante di varietà affini
    • Ibridizzazione – incrocio di individui da due distinte e differenti varietà
    • 2. Selezione
    • Quali sono i metodi della biotecnologia classica?
  15. Miglioramento classico: l’incrocio

    Slide 15 - Miglioramento classico: l’incrocio

  16. Agricoltura

    Slide 16 - Agricoltura

    • Produzione di cibo e nutrizione
    • Piante che sintetizzano i propri pesticidi
    • Piante che resistono ad erbicidi
    • Piante resistenti a patogeni
    • Piante che producono vitamine (riso)
    • Medicina
    • Vaccini prodotti da piante
    • Bioremediation
    • La biotecnologia moderna applicata alle piante
  17. Mais

    Slide 17 - Mais

    • Incremento della produzione
    • Resistenza a fitofarmaci e pesticidi
    • Barbabietola da zucchero
    • Incremento della produzione
    • Tabacco
    • Facile da coltivare e modificare
    • Vite
    • Resistenza a parassiti
    • Olivo
    • Resistenza al freddo
    • Arabidopsis
    • Pianta modello per l’analisi genetica
    • Piante modello in biotecnologia
  18. Rimpiazzare gli Incroci tradizionali e i metodi di selezione delle caratteristiche specifiche desiderate

    Slide 18 - Rimpiazzare gli Incroci tradizionali e i metodi di selezione delle caratteristiche specifiche desiderate

    • Lavorare con piante clonate le cui cellule sono totipotenti così ogni cellula vegetale può rigenerare un’intera pianta
    • Avere metodi efficienti per introdurre DNA esogeno nelle cellule
    • Poter lavorare con tipi cellulari differenti e adatti agli scopi
    • Generare piante transgeniche oggi significa…
  19. Slide 19

    • Rigenerazione delle piante
  20. Ormoni

    Slide 20 - Ormoni

    • Auxine (stimolatore della divisione e crescita cellulare)
    • Citokinine (promotore della divisione cellulare)
    • Gibberelline (regolatori allungamento cellulare)
    • Acido abscissico (inibitore divisione cellulare)
    • Etilene (ruolo incerto)
    • Regolatori della crescita di cellule vegetali
  21. Principio del miglioramento genetico

    Slide 21 - Principio del miglioramento genetico

    • AGGIUNTA DI UN FENOTIPO
    • RIMOZIONE DI UN FENOTIPO
  22. Trasferimento genico mediante plasmide Ti

    Slide 22 - Trasferimento genico mediante plasmide Ti

    • Sistema molto efficiente ma limitato a pochi tipi di piante
    • Bombardamento con microproiettili
    • Applicato ad un campo vasto di piante e tessuti
    • Vettori virali
    • Metodo poco efficace
    • Trasferimento nei protoplasti della pianta
    • Si applica solo a protoplasti delle cellule che possono rigenerare
    • Microiniezione
    • Utilità limitata perché si inietta una sola cellula alla volta
    • Elettroporazione
    • Limitata a protoplasti
    • Fusione di lisosomi
    • Limitata ai protoplasti
    • Metodi per introdurre DNA nelle cellule vegetali
  23. Produzione di piante transgeniche mediante Agrobacterium

    Slide 23 - Produzione di piante transgeniche mediante Agrobacterium

  24. Infezione di una pianta da A. tumefaciens

    Slide 24 - Infezione di una pianta da A. tumefaciens

  25. Trasformazione con Agrobacterium

    Slide 25 - Trasformazione con Agrobacterium

  26. Rappresentazione schematica di un plasmide Ti

    Slide 26 - Rappresentazione schematica di un plasmide Ti

  27. Trasformazione con Gene Gun

    Slide 27 - Trasformazione con Gene Gun

  28. Il principio di funzionamento del biolistico

    Slide 28 - Il principio di funzionamento del biolistico

    • L’ingresso di elio determina la rottura del disco
    • Il macrocarrier con le particelle è spinto verso il basso
    • Il macrocarrier è bloccato dalla piastra di blocco
    • Le particelle metalliche colpiscono le cellule bersaglio
  29. Mutagenesi somatica e germinale

    Slide 29 - Mutagenesi somatica e germinale

    • Pianta non trasformata
    • (wild type)
    • Isolamento di
    • cellule somatiche
    • Isolamento di
    • cellule germinali
    • Mutagenesi o
    • introduzione di
    • nuovi geni
    • Cellule germinali
    • geneticamente modificate
    • Cellule somatiche
    • geneticamente modificate
    • Fertilizzazione
    • in vitro
    • Generazione di una
    • pianta trasformata
    • Generazione di una pianta
    • trasformata (colture in vitro)
    • Trasmissione del carattere alla
    • generazione successiva
    • MUTAGENESI GERMINALE
    • MUTAGENESI SOMATICA
  30. Biotecnologie e riproduzione

    Slide 30 - Biotecnologie e riproduzione

    • Pianta
    • Sviluppo apparati riproduttori
    • Ovario
    • Fecondazione
    • Embrione
    • Colture di tessuto germinale
    • Maschio sterilità
    • Antere
    • Protoplasti
    • Fusione
    • Riproduzione vegetativa
    • Colture in vitro
    • Embrioni aploidi
    • Colture di embrioni
    • Apomixi
    • Tecniche di fertilizzazione in vitro
    • Aplodiploidizzazione
  31. Fertilizzazione in vitro

    Slide 31 - Fertilizzazione in vitro

  32. Resistenza agli insetti

    Slide 32 - Resistenza agli insetti

    • Piante che producono tossine
    • Piante resistenti ai virus
    • Immunizzazione con i geni delle proteine di rivestimento
    • Sequenze antisenso del gene virale
    • Piante resistenti agli erbicidi
    • Geni per inibire l’assunzione dell’erbicida
    • Sovrapprodurre la proteine bersaglio dell’erbicida
    • Attenuare l’attitudine della proteina bersaglio sensibile all’erbicida
    • Inattivazione dell’erbicida
    • Piante resistenti a funghi e batteri
    • Geni per la produzione di chitinasi
    • Piante resistenti a stress
    • Stress ossidativi
    • Stress da salinità
    • Sintesi elevata di osmoprotettori
    • Piante transgeniche resistenti
  33. La resistenza ad erbicidi permette ai coltivatori di utilizzare gli erbicidi per uccidere i parassiti ma non la pianta di interesse

    Slide 33 - La resistenza ad erbicidi permette ai coltivatori di utilizzare gli erbicidi per uccidere i parassiti ma non la pianta di interesse

    • Round-Up Ready
    • Soia e mais
    • Grano
    • Geni per la resistenza
  34. Le piante ingegnerizzate producono una tossina letale per gli insetti ma innocua per gli uomini

    Slide 34 - Le piante ingegnerizzate producono una tossina letale per gli insetti ma innocua per gli uomini

    • La tossina Bt è originariamente prodotta da un batterio (Bacillus turingensis)
    • Pesticidi genetici
  35. Problemi?

    Slide 35 - Problemi?

    • Impatto sulla farfalla monarca, studiato alla Cornell University (1999)
    • Il polline contenente livelli troppo alti di tossina Bt era tossico per le larve delle farfalle
    • Pesticidi genetici
  36. Processo mediante il quale le piante possono risolvere i problemi dell’inquinamento

    Slide 36 - Processo mediante il quale le piante possono risolvere i problemi dell’inquinamento

    • Le piante assorbono e degradano gli inquinamenti
    • Processo usato per i metalli pesanti, pesticidi, esplosivi ed altro
    • Cosa è il “Phytoremediation”?
  37. Concetti fondamentali

    Slide 37 - Concetti fondamentali

    • Le piante sono organismi relativamente semplici e su questa loro semplicità si basano le tecniche delle biotecnologie vegetali.
    • Grazie alla loro totipotenza e plasticità genica, le piante possono essere manipolate in modo semplice.
    • Hanno diversi campi di applicazione.
    • Ciononostante, esistono diverse «controindicazioni» sia ambientali sia mediche a cui dobbiamo porre attenzione.