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Oggetto:
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Genetica Vegetale

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Plant Genetics

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Anno accademico 2019/2020

Codice attività didattica
INT0696B
Docenti
Dott. Cinzia Comino (Titolare del corso)
Prof. Lorenzo Barchi (Titolare del corso)
Corso di studio
Laurea Triennale in Biotecnologie
Anno
2° anno
Tipologia
Caratterizzante
Crediti/Valenza
5
SSD attività didattica
AGR/07 - genetica agraria
Erogazione
Tradizionale
Lingua
Italiano
Frequenza
Obbligatoria
Tipologia esame
Scritto
Tipologia unità didattica
modulo
Corso integrato
BIOLOGIA E GENETICA VEGETALE (INT0696)
Prerequisiti

- Struttura, replicazione ed organizzazione del DNA
- Genetica mendeliana
- genetica delle popolazioni (Il principio di Hardy-Weinberg)


- DNA structure, organization and replication
- Mendelian genetics
- Population genetics (Hardy-Weinberg principle)

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Sommario del corso

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Obiettivi formativi

L'insegnamento si propone di sviluppare gli elementi fondamentali della genetica vegetale, con particolare riferimento agli aspetti essenziali delle produzioni biotecnologiche. Verranno fornite conoscenze sia dei meccanismi molecolari alla base della riproduzione e trasmissione dei caratteri nelle piante che degli interventi biotecnologici, ottenuti anche mediante ingegneria genetica, volti ad ottimizzare l'efficienza produttiva e lo sfruttamento delle piante per la produzione di molecole di interesse farmaceutico ed industriale. Verranno inoltre descritte le metodologie di breeding classico, in relazione al sistema riproduttivo delle specie, ed i concetti innovativi della selezione assistita mediante l'utilizzo di marcatori molecolari (MAS - marker assisted selection). 

The course aims at developing  the basic elements of plant genetics, with particular reference to the essential aspects of biotechnological productions. The course will provide knowledge about molecular mechanisms underlying the reproduction and transmission of traits in plants as well  as  biotechnological interventions, also obtained by genetic engineering, aimed at optimizing the production efficiency and the exploitation of plants for the production of pharmaceutical and industrial interest molecules. The classical methods of breeding for field crops, in relation to the reproductive system, and the modern method of breeding through the application of the molecular markers assisted selection (MAS) will be also described. 

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Risultati dell'apprendimento attesi

CONOSCENZA E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE

Alla fine del corso lo studente avrà acquisito conoscenze relative a:

-sistemi  riproduttivi e metodi di riproduzione e propagazione delle piante,

-Struttura genetica delle popolazioni,

-Metodi tradizionali e moderni di miglioramento delle piante,

-Ingegneria genetica.

 CAPACITÀ DI APPLICARE CONOSCENZA E COMPRENSIONE

Alla fine dell'insegnamento lo studente sarà in grado di progettare un esperimento di miglioramento genetico, in relazione al sistema riproduttivo, scegliendo tra le adeguate strategie di breeding convenzionali e moderni.

AUTONOMIA DI GIUDIZIO

Alla fine dell'insegnamento lo studente sarà in grado di individuare, in relazione al sistema riproduttivo, i principali interventi che consentono di migliorare la qualità e quantità della produzione, le adeguate strategie di mappaggio genico e gli opportuni metodi di associazione carattere-marcatore e l'utilizzo delle piante per produrre molecole di interesse farmaceutico ed industriale.

 ABILITÀ COMUNICATIVE

 Alla fine dell'insegnamento gli studenti saranno in grado di utilizzare il linguaggio tecnico della genetica e del miglioramento genetico vegetale.

 CAPACITÀ DI APPRENDIMENTO

 Alla fine dell'insegnamento gli studenti saranno in grado di distinguere l'efficacia delle tecnologie trattate per condurre le adeguate strategie di breeding, a reperire e comprendere le informazioni anche mediante articoli scientifici per un apprendimento sempre più autonomo, stimolandone la discussione critica e la partecipazione interattiva.

Knowledge and understanding
At the end of the course, students will know the following topics:

-Plant reproductive system and methods of reproduction and propagation of plants;

-Population genetic structure;

-Traditional and modern methods of plant breeding;

-Genetic engineering.

Applying knowledge and understanding
At the end of the course students will be able to design a plant genetic breeding experiment in relation to the reproductive system, choosing between appropriate conventional and modern breeding strategies.

Making judgements

At the end of the course, students will be able to identify, in relation to the reproductive system, the main actions that improve the quality and quantity of production, the accurate mapping strategy and the correct methods for finding  molecular markers-trait associations and the use of plants to produce molecules of pharmaceutical and industrial interest.

Communication skills

At the end of the course, students will be able to use the technical language  of plant genetics.

Learning skills

At the end of the course, students will be able to distinguish the efficacy of the technologies  to carry out appropriate breeding strategies, to find and understand information through scientific articles for more and more autonomous learning, stimulating critical discussion and participation interactive.

 

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Programma

Sistemi riproduttivi delle piante. Sporogenesi, gametogenesi e fecondazione.

Metodi di riproduzione e propagazione delle piante. Apomissia, riproduzione vegetativa, anfimissia: specie dioiche e monoiche. Meccanismi atti a favorire l'alloincrocio o l'autofecondazione: struttura fiorale, cleistogamia, dicogamia (proterandria e proteroginia), incompatibilità (gametofitica e sporofitica), maschiosterilità (genetica, citoplasmatica, genetico-citoplasmatica).

Struttura genetica delle popolazioni. Le popolazioni apomittiche; le popolazione di piante prevalentemente autogame; le popolazioni di piante prevalentemente allogame: legge Hardy-Weinberg; frequenze genotipiche e frequenze geniche.

Mutazioni. Definizione di mutazioni geniche, cromosomiche e genomiche. Gli elementi genetici mobili.  Mutazioni genomiche. Poliploidia nelle piante. Definizione di ploidia, euploidia, aneuploidia. Gli aploidi. I poliploidi. Origine naturale e artificiale. Esempi di poliploidi naturali: frumento tenero e duro; le Brassicaceae. Esempi di poliploidizzazione indotta: il triticale. Effetti delle mutazioni genomiche: fenotipici, citologici, fisiologici.

Metodi tradizionali di miglioramento delle piante. Variabilità delle piante e origine ed evoluzione delle specie coltivate. Metodi tradizionali: (i) selezione della variabilità in popolazioni naturali (selezione massale, selezione per linea pura per autogame, selezione ricorrente semplice per allogame); (ii) sfruttamento della variabilità creata dall'uomo: induzione di mutazioni, ibridazioni e selezioni (reincrocio, progeny test e costituzione di varietà ibride). Fenomeno e teorie dell'eterosi e depressione da inbreeding.

Metodi moderni di miglioramento delle piante. MAS-Marker assisted selection. Marcatori molecolari (definizione, classificazioni, alcuni esempi: SSR, M-SAP, AFLP, SNPs). Applicazioni dei marcatori molecolari: caratterizzazione della variabilità genetica; fingerprinting varietale, costruzione di mappe genetico-molecolari, marker assisted selection (MAS).

Ingegneria genetica. Totipotenza delle cellule vegetali; organogenesi ed embriogenesi somatica; morfogenesi diretta ed indiretta. Definizione di pianta transgenica e cisgenica. Ottenimento di piante geneticamente modificate utilizzando (i) metodo mediato da Agrobacterium, (ii) vettori virali  e (iii)  tecnica biolistica. Applicazione dell'ingegneria genetica per l'ottenimento di piante geneticamente modificate (PGM): ricerca di base e applicazioni pratiche allo scopo di (i) ottenere piante resistenti a stress ambientali, a erbicidi, a patogeni; (ii) aumentare la quantità e conservabilità dei prodotti agricoli; (iii) migliorare la qualità nutrizionale dei prodotti agricoli; (iv) utilizzare le piante come Biofabbrica). Diffusione, ottenimento e risultati a tutt'oggi conseguiti per le PGM.

Individuazioni degli OGM. Metodi basati sulla rilevazione di proteine (Western blot, Elisa, Lateral flow assay) o di DNA (Southern blot, PCR end-point, qPCR).

Plant reproductive system. Sporogenesis, gemetogenesis and fertilization.

Methods of reproduction and propagation of plants. Apomixis, vegetative reproduction, amphimixis: monoecious and dioecious species. Mechanisms to promote cross-pollination or self-fertilization: the floral structure, cleistogamy, dichogamy (proterandry and protogyny), self-incompatibilities (gametophytic and sporophytic), male sterility (genetic, cytoplasmic, cytoplasmic-genetic).

Population genetic structure. The apomictic populations; the population of predominantly self-pollinating plants; populations of predominantly cross-pollinating plants: Hardy-Weinberg equation; genotype frequencies and allele frequencies.

Mutations. Definition of gene, chromosomal and genomic mutations. Mobile genetic elements. Genomic mutations. Polyploidy in plants. Definition of ploidy, euploidy, aneuploidy. The haploid. The polyploid: natural and artificial origin. Examples of natural polyploid: soft and durum wheat; the Brassicaceae. Examples of polyploidization induced: triticale. Phenotypic, cytological, physiological effects of genomic mutations.

Traditional methods of plant breeding. Plant variability, origin and evolution of the cultivated species. Traditional methods of plant breeding: (i) selection of the variability in natural populations (mass selection, pure line selection for self-pollinating plants, simple recurrent selection for cross-pollinating plants); (ii) the exploitation of the variability created by man: induction of mutations, hybridisation and selection (backcross, progeny test and creation of hybrid varieties). Phenomenon and theories of heterosis and inbreeding depression.

Modern methods of plant breeding. MAS Marker-assisted selection. Molecular markers (definition, classification, some examples: SSR, MSAP, AFLP, SNP). Molecular marker applications: characterization of genetic variability, varietal fingerprinting, construction of molecular genetic maps, marker assisted selection (MAS).

Genetic engineering. Totipotency of plant cells; organogenesis and somatic embryogenesis; direct and indirect morphogenesis. Definition of transgenic and cisgenic plants. Obtainment of genetically modified plants by (i) Agrobacterium-mediated method, (ii) viral vectors and (iii)  biolistic technique. Application of genetic engineering to obtain plant genetically modified (PGM): basic research and practical applications in order to (i) obtain plants resistant to environmental stresses, herbicides, pathogens, (ii) increase the amount and preservation of agricultural products, (iii) improve the nutritional quality of agricultural products; (iv) use plants such biofactory. Dissemination and results so far achieved for PGM.

Detection of OGM. Methods based on the detection of proteins (Western blot, Elisa, Lateral flow assay) or DNA (Southern blot, end-point PCR, qPCR).

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Modalità di insegnamento

L'Insegnamento è strutturato in 36 ore di didattica frontale, suddivise in lezioni da 2 ore, e 4 ore di esercitazioni in laboratorio. Per le lezioni frontali il docente si avvale di presentazioni e slide che saranno messe a disposizione degli studenti alla fine della lezione alla pagina moodle dell'insegnamento.

The Teaching is structured in 36 hours of frontal teaching, divided into 2 hour lessons,  and 4 hours of practical training in laboratory. For lectures the teacher makes use of slides that will be available to the students at the end of the lesson at the moodle page of the course. 

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Modalità di verifica dell'apprendimento

L'apprendimento sarà verificato attraverso la periodica discussione con gli studenti delle lezioni trattate nell'insegnamento.
L'esame finale sarà scritto e composto da:

  • 30 domande/esercizi a risposta multipla, del valore di 0,9 punti ciascuna, per un totale di 27 punti;
  • due domande a risposta aperta, del valore di 2 punti ciascuna, per un totale di 4 punti.

Le risposte errate non comporteranno nessuna penalizzazione di punti.

Learning will be assessed through periodical discussion of the theoretical concepts dealt with during the course.
The final exam will be written, it will cover the entire program and will include:

  • 30 multiple-choice questions/exercises each of them is worth 0.9 point, for a total of 27 points;
  • two open-ended questions, each of them is worth 2 point for a total of 4 points.

Wrong answers will not provide any penalty. 

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Attività di supporto

Non presenti

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Testi consigliati e bibliografia

Busconi M, Comino C, Consonni G, Marocco A, Porceddu D, Portis E, Rao R (2016) Genetica Agraria; Edizione integrata sulla base di 'ELEMENTI DI GENETICA' di RUSSEL PJ, WOLFE SL, HERTZ PE, STARR C, MCMILLAN B.  Napoli: Casa Editrice EdiSES, ISBN: 9788879598934

Gianni Barcaccia e Mario Falcinelli - GENETICA e GENOMICA Vol II e III - Liguori Editore

 

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    Ultimo aggiornamento: 28/05/2019 17:32
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