GENETICA E MIGLIORAMENTO GENETICO DELLE PIANTE AGRARIE A - L
Anno accademico 2021/2022 - 1° anno - Curriculum BIOTECNOLOGIE BIOMEDICHE, Curriculum BIOTECNOLOGIE AGRARIE e Curriculum BIOTECNOLOGIE FARMACEUTICHE- GENETICA: Concetta Federico
- MIGLIORAMENTO GENETICO DELLE PIANTE AGRARIE: Angela Roberta Lo Piero
Organizzazione didattica: 300 ore d'impegno totale, 206 di studio individuale, 70 di lezione frontale, 24 di esercitazione
Semestre: 2°
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Obiettivi formativi
- GENETICA
Il modulo di Genetica si propone di fornire le conoscenze fondamentali di genetica classica e molecolare fornendo un quadro coerente con l’insegnamento dell’altro modulo previsto del C.I. e con gli altri insegnamenti di tipo biologico previsti dal corso di Laurea in Biotecnologie.
Lo studente in Biotecnologie, con il modulo didattico di GENETICA acquisisce la conoscenza dei metodi di analisi mendeliana e comprende i meccanismi mediante cui si ereditano i caratteri mendeliani e impara ad applicarli per la risoluzione di problemi di genetica. Acquisisce le conoscenze di base sulla struttura del materiale genetico e sulla sua organizzazione, nonché i principi generali dell'espressione genica. Lo studente conosce le principali metodologie di analisi del DNA e dei suoi polimorfismi, e comprende che molte molecole implicate nei principali processi genetici, sono ampiamente utilizzate in ambito biotecnologico. Comprende le caratteristiche delle diverse tipologie di mutazione, i relativi effetti fenotipici, i principali meccanismi di mutazione spontanea del DNA e il suo significato anche nell’ambito dell’evoluzione. Gli studenti alla fine di questo insegnamento dovranno riuscire a comunicare in modo efficace le informazioni di tipo biologico, e genetico in particolare, con un linguaggio specifico.
- MIGLIORAMENTO GENETICO DELLE PIANTE AGRARIE
L’obiettivo formativo della disciplina “Miglioramento genetico delle piante agrarie” è di trasferire allo studente conoscenze e strumenti per la valutazione della variabilità genetica naturale e indotta per la sua utilizzazione ai fini selettivi. Alla fine del corso, gli studenti saranno in grado di:
● Pianificare un programma di miglioramento genetico e di scegliere le procedure più idonee alla costituzione di nuove varietà integrando le procedure tradizionali del miglioramento genetico con strumenti biotecnologici.
● Comprendere i meccanismi genetici alla base dell’evoluzione delle piante e di applicare disegni sperimentali al fine di individuare e selezionare genotipi per ottenere varietà migliorate.
● Organizzare e gestire i processi di tracciabilità genetica delle varietà vegetali nell'intera filiera produttiva.
Modalità di svolgimento dell'insegnamento
- GENETICA
L'insegnamento è svolto con lezioni frontali partecipate, con l'ausilio di powerpoint e altri strumenti multimediali (come ad esempio filmati scientifici). Le verifiche dell'efficacia di ciascuna lezione viene fatta utilizzando la piattaforma SOCRATIVE e proponendo 4-5 domande alla fine di ogni lezione, a cui gli studenti rispondono con il loro smartphone, in anonimato. i risultati di tale "verifica per l'apprendimento" sono immediatamente visibili, in forma aggregata.
Sono anche previste esercitazioni in aula e 2 prove in itinere. Tali prove in itinere, dopo la correzione, vengono ampiamente discusse con gli studenti, per consentire loro una autovalutazione.
Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità a distanza o mista, potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel presente Syllabus.
- MIGLIORAMENTO GENETICO DELLE PIANTE AGRARIE
L'insegnamento (6CFU) prevede lezioni frontali ed esercitazioni in aula. Per le lezioni frontali il docente si avvarrà di presentazioni in power point e di filmati, anche in inglese. Le esercitazioni consisteranno nella soluzione di problemi ed esercizi sugli argomenti trattati, anche mediante applicazione di appropriati test statistici ed avvalendosi della piattaforma SOCRATIVE. Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato al fine di rispettare il programma qui riportato.
A garanzia di pari opportunità e nel rispetto delle leggi vigenti, gli studenti interessati possono chiedere un colloquio personale in modo da programmare eventuali misure compensative e/o dispensative, in base agli obiettivi didattici ed alle specifiche esigenze.
Prerequisiti richiesti
- GENETICA
Le conoscenze richieste per poter seguire la GENETICA riguardano l’organizzazione della materia vivente e della cellula. Sono necessarie anche delle competenze di base di matematica e statistica.
- MIGLIORAMENTO GENETICO DELLE PIANTE AGRARIE
Lo studente che accede a questo insegnamento deve possedere una buona conoscenza dei fondamenti di matematica e chimica forniti dagli insegnamenti di base erogati durante il primo semestre. E’, inoltre, necessaria la conoscenza di nozioni preliminari di biologia (la struttura e funzione della cellula vegetale, processi di divisione cellulare), di genetica e biochimica
Frequenza lezioni
- GENETICA
La frequenza delle lezioni e delle esercitazioni, è fortemente consigliata al fine di acquisire una preparazione adeguata nella disciplina.
- MIGLIORAMENTO GENETICO DELLE PIANTE AGRARIE
Fortemente consigliata
Contenuti del corso
- GENETICA
Genetica mendeliana. Variabilità continua e discreta. I caratteri, il fenotipo e il genotipo. Incroci di monoibridi e il principio mendeliano della segregazione. Incroci di diibridi e il principio mendeliano dell’assortimento indipendente. Gli alleli multipli. La dominanza incompleta e la codominanza. Interazione tra geni e rapporti mendeliani modificati. L’epistasi. Alleli letali. Ambiente ed espressione genica. I caratteri a trasmissione mendeliana nell’uomo. Analisi degli alberi genealogici. Analisi statistica dei dati genetici: il test del chi-quadrato.
Teoria cromosomica dell’ereditarietà. La mitosi. La meiosi. Il significato genetico della meiosi. I cromosomi del sesso. Eredità legata al sesso. La determinazione del sesso. Analisi dei caratteri legati al sesso nell’uomo.
Associazione. L’associazione genica. Concatenazione completa ed incompleta. Ricombinazione tra geni e ruolo dello scambio tra i cromosomi. Costruzione di mappe genetiche.
Il materiale genetico. Identificazione del materiale ereditario: esperimento di Griffith, esperimento di Avery-McLeod-MacCarty, esperimento di Hershey e Chase. Gli Acidi Nucleici: struttura e organizzazione del DNA e dell'RNA. I genomi degli organismi attuali. I cromosomi eucariotici. Il cariotipo umano: principali metodi di preparazione e di analisi.
Le mutazioni. Le mutazioni in cellule somatiche e in cellule germinali. Le mutazioni puntiformi: caratteristiche ed effetti in funzione della posizione all'interno dei geni. Le mutazioni cromosomiche di struttura e di numero: classificazione, modalità di formazione e conseguenze genetiche e fenotipiche. Cenni su allo-poliploidia e auto-poliploidia. Meccanismi di formazione delle mutazioni spontanee. Le basi chimiche delle mutazioni. Le mutazioni indotte. Gli agenti mutageni di natura fisica, chimica e biologica. La mutagenesi ambientale e i test di mutagenesi (cenni). Le mutazioni e il loro ruolo nell'evoluzione dei geni e dei loro prodotti.
Geni e DNA. Le funzioni principali del DNA: replicazione, trascrizione e traduzione. Il codice genetico: definizione e proprietà. Evoluzione storica del concetto di gene. Definizione strutturale, funzionale e genetica di gene. I geni procariotici ed eucariotici: struttura generale ed organizzazione genomica. L’evoluzione dei geni eucariotici: dimensione e formazione dei geni interrotti. I geni in copie multiple e le famiglie geniche.. Principali meccanismi di origine delle famiglie geniche. Gli pseudogeni. La regolazione dell’espressione genica: definizione e modelli di regolazione. La regolazione nei procarioti e negli eucarioti. Cenni sui geni dello sviluppo e del differenziamento.
Metodi di base per l’analisi del DNA. Preparazione del DNA genomico, PCR, frammentazione enzimatica, elettroforesi, sequenziamento. Gli RFLP e il loro utilizzo nella diagnostica.
Esercitazioni in classe: Genetica mendeliana. Calcolo delle probabilità applicato alla genetica. Analisi degli alberi genealogici per identificare il modello di eredità. Costruzione di mappe genetiche. Analisi del cariotipo umano.
- MIGLIORAMENTO GENETICO DELLE PIANTE AGRARIE
Eredità ed ereditabilità dei caratteri quantitativi - il miglioramento genetico e utilizzo della variabilità genetica - sistemi riproduttivi delle piante coltivate - barriere riproduttive: autoincompatibilità, maschiosterilità - relazione tra sistema riproduttivo e metodi di miglioramento genetico - struttura genetica delle popolazioni - metodi tradizionali di miglioramento genetico in specie che si riproducono per propagazione vegetativa, per autogamia e per allogamia - metodi moderni di miglioramento delle piante - ingegneria genetica.
Testi di riferimento
- GENETICA
- 1. Binelli, Ghisotti e altri. GENETICA. EdiSES, Napoli
- 2. Russel. GENETICA: UN APPROCCIO MOLECOLARE. Pearson Italia, Milano.
- 3. Griffiths e altri. GENETICA: PRINCIPI DI ANALISI FORMALE. Zanichelli, Bologna.
- MIGLIORAMENTO GENETICO DELLE PIANTE AGRARIE
1. Miglioramento genetico delle piante agrarie, Lorenzetti F., Albertini E., Frusciante L., Rosellini D., Russi L., Tuberosa L., Veronesi F. Edagricole2. Genetica e genomica, Barcaccia G. e Falcinelli M., Liguori editore. Volume II.
3. Genetica e genomica, Barcaccia G. e Falcinelli M., Liguori editore. Volume III.
4. Biotecnologie sostenibili, Galbiati M., Gentile A., La Malfa S., Tonelli C., Edagricole
5. Genetica Agraria-Genetica e biotecnologie applicate all’agricoltura, F. Lorenzetti, S. Ceccarelli, D. Rossellini, F. Veronesi, Patron ed.
6. Breeding Field Crops, Sleper DA, Poehlman JM, Ames, Iowa, USA: Blackwell Publ., 2006.
7. Genetica, Binelli G e Ghisotti D., Edises, 2018
Programmazione del corso
GENETICA | |||
Argomenti | Riferimenti testi | ||
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1 | Introduzione alla genetica | TESTO 1: cap 1 - TESTO 2: cap 1 - TESTO 3: cap 1 | |
2 | Genetica mendeliana; incroci tra diidridi e triidridi. Principio di Segregazione e dell’indipendenza. | TESTO 1: cap. 3 - TESTO 2: cap 11 (pagg. 263- 284)- TESTO 3: cap 2 (pagg. 29- 52) cap 3 (pagg. 85- 97) | |
3 | Meiosi e mitosi a confronto. La meiosi e il legame con le leggi di Mendel | TESTO 1: cap. 2 - TESTO 2: cap 12 (pagg. 285-296) - TESTO 3: cap 2 (pagg. 81-83) cap 3 (pagg. 98-106) | |
4 | Interazioni alleliche e interazioni tra geni | TESTO 1: cap. 4 (pagg. 52-61), cap. 7 - TESTO 2: cap 13 - TESTO 3: cap 6 | |
5 | Teoria cromosomica dell’eredità, esperimenti di Morgan e eredità legata al sesso | TESTO 1: cap. 5 - TESTO 2: cap 12 (pagg. 297-313) - TESTO 3: cap 2 (pagg. 52-72) | |
6 | Alberi genealogici | TESTO 1: cap. 4 (pagg. 62-69) e cap. 5 (pagg. 83-91) - TESTO 2: cap. 11 (pagg. 283-289) e cap. 12 (pag. 317-322) - TESTO 3: cap. 2 e cap. 3. | |
7 | Associazione genica, concatenazione e ricombinazione. Mappe genetiche. | TESTO 1: cap. 6 - TESTO 2: cap 14 - TESTO 3: cap 4 | |
8 | Struttura degli acidi nucleici - organizzazione del materiale genetico nei cromosomi. | TESTO 1: cap. 9 - TESTO 2: cap 2 - TESTO 3: cap 7 (pagg. 259-269) | |
9 | Replicazione del DNA. Struttura e organizzazione dei geni. Famiglie geniche. | TESTO 1: cap. 9, cap. 15 (pagg. 376-385) - TESTO 2: cap 3 - TESTO 3: cap 7 (pagg. 269-288) | |
10 | Reazione a catena della polimerasi (PCR), enzimi di restrizione, elettroforesi e RFLP | TESTO 1: cap. 20 - TESTO 2: cap 10 (pagg. 235-238 e 242-249) - TESTO 3: cap 10 - Materiale didattico aggiuntivo fornito dal docente | |
11 | La trascrizione nei procarioti e negli eucarioti | TESTO 1: cap. 10 - TESTO 2: cap 5 - TESTO 3: cap 8 | |
12 | Il codice genetico e la sintesi proteica | TESTO 1: cap. 11 - TESTO 2: cap 6 - TESTO 3: cap 9 | |
13 | Meccanismi di formazione delle mutazioni. I mutageni. Le mutazioni puntiformi. Genetica dei tumori. | TESTO 1: cap. 12 - TESTO 2: cap 7 (pagg. 115-135) - TESTO 3: cap 16 - Materiale didattico aggiuntivo fornito dal docente | |
14 | Le mutazioni cromosomiche | TESTO 1: cap. 14 - TESTO 2: cap 16 - TESTO 3: cap 17 | |
15 | La regolazione dell’espressione genica nei procarioti ed eucarioti | TESTO 1: cap. 16, cap. 17 - TESTO 2: cap 17 cap 18 (pagg. 435-443) - TESTO 3: cap 11 (pagg. 393-408 e 419-424) cap 12 (pagg. 427-432 e 439-444) - Materiale didattico aggiuntivo fornito dal docente | |
16 | Geni dello sviluppo e del differenziamento | TESTO 1: cap. 19 (pagg. 486-498) - TESTO 2: cap 19 -TESTO 3: cap 13 - Materiale didattico aggiuntivo fornito dal docente | |
MIGLIORAMENTO GENETICO DELLE PIANTE AGRARIE | |||
Argomenti | Riferimenti testi | ||
1 | Il miglioramento genetico delle piante agrarie e il suo ruolo nell'agricoltura - La domesticazione delle piante | Testo 1: cap. 1- 2, Testo 2: cap. 12 | |
2 | Basi biologiche e genetiche del miglioramento genetico - Sistemi riproduttivi e propagazione delle piante coltivate - Specie a propagazione sessuale o gamica - Meccanismi genetici che interagiscono con le strutture fiorali: incompatibilità e maschiosterilità - Specie a propagazione asessuale o vegetativa o agamica – Apomissia - | Testo 1: cap. 3, Testo 2: cap. 10 | |
3 | Struttura genetica delle popolazioni vegetali - Struttura genetica delle popolazioni di piante a propagazione vegetativa - Struttura genetica delle popolazioni di piante autogame - Struttura genetica delle popolazioni di piante allogame | Testo 1: cap. 4, Testo 2: cap. 11 | |
4 | Fondamenti genetici della selezione - La selezione per caratteri monogenici e per caratteri poligenici o quantitativi - Il concetto di ereditabilità - Parametri statistici per lo studio dei caratteri quantitativi – Il ruolo dei geni e dell’ambiente nella determinazione del fenotipo - Determinazione delle quote di variabilità dovute a cause genetiche ed ambientali - Possibilità e limiti genetici della selezione - | Testo 1: cap. 5, Testo 2: cap. 8-9 | |
5 | Strumenti molecolari per la selezione - Marcatori molecolari - Sequenziamento dei genomi - | Testo 1: cap. 6, Testo 3: cap. 17 | |
6 | Miglioramento genetico assistito e selezione genomica - Costruzione di mappe genetiche e mappaggio dì geni QTL - Mappaggio di QTL - Selezione assistita da marcatori - | Testo 1: cap. 7, Testo 3: cap. 20 | |
7 | Le risorse genetiche vegetali ed il miglioramento genetico delle piante - Le specie selvatiche come risorsa genetica - Erosione genetica - Salvaguardia delle risorse genetiche Organizzazione della raccolta del germoplasma – Conservazione dei materiali - | Testo 1: cap. 8, Testo 2: cap. 12 | |
8 | Incremento della variabilità genetica - Controllo dell'autoimpollinazione e dell'incrocio - Ibridazione intraspecifica- Ibridazione interspecifica - Manipolazione del livello di ploidia - Colture in vitro per il miglioramento genetico - Mutagenesi per creare variabilità genetica - | Testo 1: cap. 9-10 -11-12, Testo 2: cap. 12, Testo 3: cap. 16 | |
9 | Trasformazione genetica e genome editing - La trasformazione genetica per il miglioramento delle piante - Espressione transiente - Trasformazione del genoma dei plastidi - Tecniche nuove di ingegneria genetica delle piante - Cisgenesi e intragenesi - genome editing - | Testo 1: cap 13, Testo 3: cap. 19 | |
10 | Metodi di miglioramento e costituzione varietale - I metodi di miglioramento genetico delle specie prevalentemente autogame - Selezione entro popolazioni naturali - Selezione entro popolazioni costituite dall'uomo - | Testo 1: cap. 14, Testo 2: cap. 13 | |
11 | Metodi di miglioramento genetico delle specie prevalentemente allogame - Attitudine alla combinazione generale e specifica e loro valutazione: le prove di progenie - Le popolazioni di base per il miglioramento genetico delle piante allogame - La costituzione di varietà nelle specie allogame - Metodi di miglioramento genetico delle specie a propagazione vegetativa - Obiettivi del miglioramento genetico - | Testo 1: cap. 15-16-17, Testo 2: cap. 13-14 |
Verifica dell'apprendimento
Modalità di verifica dell'apprendimento
- GENETICA
L'esame finale consiste in una prova scritta con 1 domanda a risposta aperta, 20 domande a risposta multipla e un esercizio di genetica. L'intero test viene valutato in trentesimi, in dettagli: ogni domanda risposta multipla esatta vale +1 punto, errata -0,25 e non data 0; alla domanda risposta aperta è attribuito dal docente un punteggio compreso tra 0 e 5; all'esercizio di genetica viene dato un punteggio complessivo da 0 a 5, è formulato in 5 quesiti, e quindi ad ognuno di essi, se corretti, viene dato punteggio +1 . Alla prova scritta segue un colloquio orale al quale sono ammessi gli studenti che hanno conseguito un punteggio di almeno 18. Gli studenti che hanno conseguito un punteggio compreso tra 16 e 18 (Ammessi con riserva) possono comunque, se vogliono, sostenere l'esame orale.
La verifica dell'apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.
- MIGLIORAMENTO GENETICO DELLE PIANTE AGRARIE
L’esame è scritto e comprende sei quesiti di cui due a risposta aperta, due con risposte a multiscelta, e due problemi o esercizi sugli argomenti trattati, risolvibili anche mediante l’applicazione di test statistici. A ciascun esercizio verrà attribuito un punteggio stabilito, per un totale di 31 punti. La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni legate al persistere dell'emergenza epidemiologica Covid-19 lo dovessero richiedere.
Esempi di domande e/o esercizi frequenti
- GENETICA
1. I principi Mendeliani e gli esperimenti che hanno portato alla loro dimostrazione
2. Meccanismi di eredità dei caratteri monogenici
3. Struttura del DNA
4. Le mutazioni e i meccanismi di formazione
5 La PCR
- MIGLIORAMENTO GENETICO DELLE PIANTE AGRARIE
1. Distinzione tra piante con diverso sistema riproduttivo e conseguenze genetiche dei diversi metodi riproduttivi
2. Distinzione tra caratteri mendeliani e caratteri quantitativi;
3. Principali parametri statistici per la descrizione della variabilità genetica
4. Concetto di ereditabilità
5. Sistemi per incremento della variabilità genetica
6. Le colture in vitro
7. L’importanza della poliploidia, il significato della selezione e il progresso conseguito con la selezione
8. L’importanza dei marcatori molecolari nel miglioramento genetico.