Next Generation Analysis: Grapevine genome

Next Generation Analysis: Grapevine genome

Varietal Innovatoin

Discovering the grapevine genome with prof.Morgante

L'agricoltura moderna ha subito, negli ultimi anni, un notevole cambiamento soprattutto in funzione dello sviluppo delle conoscenze genetiche e molecolari e loro applicazioni alle specie coltivate. 

Oggi la genetica vive una nuova epoca legata alla possibilità di sequenziare direttamente i genomi, decodificando in toto il loro patrimonio genetico: la conoscenza globale dei genomi è la base della "genomica", branca della biologia molecolare che costituisce uno dei pilastri della genetica moderna.

Nel settore della genetica agraria dedicata alle specie vegetali, la genomica offre nuove grandi opportunità per selezionare piante più produttive, resistenti alle malattie, piante idonee alla produzione di energia, piante utilizzate come biofabbriche di composti nutraceutici e farmacologici, ecc. Nel contempo la genomica è anche un fondamentale strumento per promuovere una maggiore sicurezza alimentare, la protezione di varietà e prodotti tipici e della biodiversità più in generale.

La genomica quindi permette di determinare scientificamente le caratteristiche dei vitigni in modo da trovare soluzioni per aiutare i vitivinicoltori a coltivare uve con minor uso di fitofarmaci e ottenere vini sostenibili a vantaggio della salute dei consumatori.

Al genoma della vite e al sequenziamento genetico della specie verrà dedicato il seminario, presentato da prof. Michele Morgante che porta il titolo: "Next Generation Analysis of the grapevine genome" che si terrà a Udine, 1° luglio 2016 alle 15.45 presso il Parco Scientifico Friuli Innovazione di Udine. Entrata libera.

The project of the Institute for Applied Genomics: the grapevine genome

Un vigneto per essere produttivo impiega circa 2 anni, ma basta una malattia come la peronospora o la fillossera per compromettere investimenti, lavoro e speranze di persone e territori. Per scongiurare tale rischio si fa ricorso ai pesticidi: nell’Unione Europea il 65% di tutti i fungicidi impiegati in agricoltura riguarda il 3% della superficie agricola, quella coltivata a vite, 68 mila tonnellate l’anno (dati Eurostat 2007).

La determinazione nel cercare una strada alternativa, capace di salvaguardare il prodotto ma anche la salute e l’ambiente, ha indotto un gruppo ricercatori dell’Università di Udine, grazie al supporto finanziario dell’Amministrazione della Regione Friuli Venezia Giulia già nel lontano 1998, a lavorare al sequenziamento dell’intero patrimonio genetico, il genoma, della vite.  Il 26 luglio 2005 il ministro dell’agricoltura italiano e il ministro della ricerca francese siglano un accordo che dà avvio al progetto di sequenziamento del genoma della vite.

Sorta come spin-off dell’Università di Udine nel 2006, IGA – Istituto di Genomica Applicata nasce proprio grazie al progetto dedicato, per il quale dal 2006 inizia ad utilizzare le migliori linee resistenti ottenute dai colleghi europei di Ungheria, Serbia, Germania, Austria, Francia e le fa incrociare con vitigni di pregio (Sauvignon, Chardonnay, Merlot, Cabernet, Sangiovese, Tocai ecc.). Mentre i ricercatori del DISA (Dipartimento di Scienze Agrarie ed Ambientali dell’Università di Udine), programmano ed eseguono gli incroci ed fanno la selezione sia per la resistenza che per la qualità dei vini, IGA lavora sull’identificazione dei geni che controllano la resistenza a peronospora in vite e con la selezione assistita da marcatori, completa con successo il sequenziamento del genoma della vite già nel 2007 Il risultati di tale scoperta vengono pubblicati sul sito della rivista scientifica inglese Nature, una fra le più prestigiose e autorevoli al mondo.

La vite ha un genoma di circa 475 milioni di paia di basi (Mbp), tre volte maggiore di quello di Arabidopsis (125 Mbp), la prima pianta ad essere sequenziata e più di sei volte inferiore a quello umano (circa 3.000 Mbp). L’interesse per la vite è legato alla ridotta dimensione del genoma e alle molte caratteristiche biologiche che la rendono una pianta modello di grande valore scientifico. La vite è una specie a foglia caduca, è dioica nelle forme ancestrali, produce bacche e semi, sintetizza classi di metaboliti di interesse salutistico. La vite poi è una specie economicamente importante e muove un giro d’affari stimato in oltre 100 miliardi di €/anno. Le potenziali ricadute giustificano sicuramente l’impegno finanziario di un progetto di sequenziamento. 

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Project Implications and Search Results

Le ricadute più importanti del progetto sono sicuramente quelle relative alla ricerca fondamentale sull’organizzazione e sull’evoluzione dei genomi vegetali e quelle relative alla conoscenza di geni relativi a pathway biologici importanti, per i quali la vite rappresenta una pianta modello. Per fare qualche esempio:

  • la dormienza, cioè l’adattamento delle piante poliennali a foglia caduca ai climi freddi;
  • la riproduzione sessuale delle piante e l’evoluzione dalla dioicia alla monoicia (La vite è una specie dioica, a sessi separati ed è diventata monoica e autofertile durante il processo di addomesticamento. Tuttora gran parte delle specie selvatiche di vite sono a sessi separati. Il progetto può identificare i geni che controllano la dioicia e quelli che hanno permesso di superare tale condizione nelle cultivar moderne. I problemi legati alle difficoltà di impollinazione (dioicia, incompatibilità) creano consistenti riduzioni di produzione in agricoltura in molte specie);
  • la coltivazione dell’uva da tavola si basa principalmente su cultivar apirene (sostanzialmente a fiore femminile), nelle quali operano due meccanismi alternativi (la partenocarpia e l’aborto precoce degli embrioni): entrambi i fenomeni sono poco conosciuti e il progetto può portare alla conoscenza di entrambi i meccanismi genetici e al loro utilizzo nei programmi di incrocio;
  • la vite produce semi portati da bacche. Le bacche sono un modello di organo complesso, che accumula larghe quantità di zuccheri e acidi organici, con meccanismi tuttora poco noti dal punto di vista genetico;
  • la vite sintetizza polifenoli, che assieme ai loro precursori costituiscono una famiglia straordinariamente abbondante di composti, comprendente molecole deputate alla difesa da patogeni, come ad esempio gli stilbeni, e composti fondamentali per il colore e la qualità del vino, come gli antociani e i tannini. Ad alcuni di questi composti, come il resveratrolo, vengono riconosciute importanti proprietà salutistiche;
  • la vite, infine, può diventare una pianta modello fondamentale per comprendere e utilizzare nel miglioramento genetico i meccanismi di difesa da patogeni. 

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Genetic improvement

Il sequenziamento completo del genoma è stato raggiunto nel 2007 e il team udinese è arrivato alla ribalta della scena scientifica mondiale. Una volta svelati i segreti della costituzione genetica della vite, ci si è potuto concentrare sull'analisi funzionale sistematica dei geni che consente di conoscere quelli più importanti per la viticoltura e di intervenire per migliorare le viti utilizzando comunque materiali provenienti da altre viti. La conoscenza del patrimonio genetico della vite ha permesso di capire i meccanismi con cui le viti americane, più resistenti delle nostre, si difendono dai patogeni. E’ stato quindi possibile incrociare i migliori ibridi (frutto di incroci) con vitigni di pregio. Delle 170 selezioni ottenute, scelte in campo a Udine e vinificate a Verona, si è arrivati, dopo le prove di assaggio, a venti. Da queste è stata ricavata e certificata la vite da vino resistente alle malattie. Il tutto in tempi infinitamente più brevi rispetto a quelli che sarebbero stati necessari utilizzando le tecniche di incrocio tradizionale.

 “Dopo 15 anni, di lavoro i ricercatori hanno ottenuto 10 nuove varietà che hanno superato la valutazione in varie aree viticole del nostro Paese e sono state registrate nel 2016 al Ministero dell’Agricoltura a Roma, passo preliminare in vista della loro coltivazione. I vini di queste nuove varietà sono stati testati e degustati da un panel di esperti nazionali.”, spiega Gabriele Di Gaspero, il più giovane tra i ricercatori-cofondatori dell’IGA e il vincitore, insieme al gruppo di ricerca guidato dall’Università e Istituto di genomica applicata di Udine, del premio nazionale “Antico Fattore 2015” promosso dall’Accademia dei Georgofili di Firenze, grazie alla scoperta del gene anti peronospora della vite.

La ricerca ha posto le basi per la creazione di nuove varietà di uve da vino resistenti alle malattie, senza bisogno di pesticidi mantenendo alta la qualità dei mosti. Fino ad allora i tentativi di risolvere il problema erano confinati nelle tecniche tradizionali di incrocio di vitigni selvatici con quelli coltivati per aumentarne la resistenza, ma senza garantire la qualità dell’uva in tempi ragionevoli. Erano necessarie varie generazioni di reincrocio prima di produrre uva di qualità.

“Grazie alla genetica molecolare, il processo di selezione sul quale si è sempre basata l’agricoltura, viene accelerato in laboratorio”, spiega il prof. Michele Morgante, presidente della SIGA (Società Italiana di Genetica Agraria), professore di Genetica dell’Università di Udine, Socio dell’Accademia Nazionale dei Lincei dal 2007 e Direttore scientifico e cofondatore dell’Istituto di Genomica Applicata di Udine.  “Nel DNA la vite non conserva solo la resistenza o meno ai funghi, ma anche le basi genetiche della qualità del vino, che è controllata da altri geni. Conoscendole meglio, si potrebbero scoprire subito, fra centinaia di incroci, quali possono dare un gran vino. I produttori ci chiedevano continuamente quali sarebbero state le ricadute del progetto per il mondo vitivinicolo. Eccone una importante! “, e aggiunge: “La nostra ricerca prosegue grazie a fondi pubblici; stiamo sequenziando il genoma di vitigni autoctoni e anche selezionando nuove generazioni di incroci che accumulano resistenze multiple, capaci di tenere a bada più malattie e in modo più duraturo. Lavoriamo contemporaneamente alla messa a punto di metodi di selezione rapida per la qualità delle uve, basati sull’analisi dei profili aromatici dei mosti e dei vini. La produzione delle nuove piante avviene presso l’Azienda agraria dell’Università di Udine, la quale ospita attualmente circa 8.000 nuovi incroci di vite in vari stadi di selezione.”

Patricija Muzlovic

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