Genomi VegetaliArabidopsis thaliana come sistema modello molecolareFattori trascrizionali vegetaliI geni MADSGeni omeotici vegetali: il modello ABC

Analisi della Funzione genica nelle pianteIl sistema Agrobatterio: dalla natura alle applicazioniElementi trasponibili vegetali: dalla natura alle applicazioniCollezioni di mutanti inserzionaliGenetica Forward: dall' isolamento di un mutante all'identificazione del gene

mutatoGenetica Reverse: isolamento di un mutante inserzionale nel gene d'interesse

Sistemi di Regolazione nelle pianteMeccanismi epigeneticiSilenziamento genico trascrizionale (TGS)Silenziamento genico post-trascrizionale (PTGS)Regolazione epigenetica del processo di floweringRegolazione post-trascrizionale: siRNA e RNA nelle pianteRegolazione post-traduzionale: il Proteosoma

Network e Crosstalk di regolazione genicaIl pathway di regolazione mediato dal fitocromo (fotorecettore della luce)

Arabidopsis thaliana

come sistema modello

della biologia

molecolare

delle piante

Tutte le metodologie genetiche e molecolari, possono

funzionare più o meno bene a seconda delle specie.

Per esempio è molto più facile ottenere informazioni

molecolari sulla struttura o sull’ espressione di un

dato gene in un organismo con un genoma piccolo e

compatto, piuttosto che grande e ridondante. Allo

stesso modo nessuna informazione sarebbe affidabile

in un organismo che presenta una grande variabilità

allelica; al contrario in molte specie di laboratorio

sono state stabilizzate linee isogeniche.

Perché gli organismi modello?

Cos’è un organismo modello?

Per questo la ricerca biologica si concentra su

organismi selezionati definiti “sistemi modello” che

presentano caratteristiche adatte a studi molecolari,

fenotipici e genetici. L’uso di specie modello si basa

sull’assunto che molte delle loro caratteristiche

biologiche sono condivise e conservate in molte altre

specie del regno.

Per effettuare analisi genetiche, poi, bisogna

considerare il tempo di generazione; è evidente che

specie vegetali che fioriscono e sviluppano

lentamente, sono improponibili per studi genetici.

Importante è anche la disponibilità di informazioni

genetiche e molecolari, come la conoscenza della

sequenza genomica e la disponibilità di marker di

ricombinazione.

Oltre ad un alto grado di conservazione di sequenza per molti geni, nell’ambito del regno vegetale, la genomica comparata ha rivelato un alto grado di conservazione della struttura genica (sintenia) fra gruppi strettamente correlati da un punto di vista tassonomico. Le nostre attuali conoscenze sulla sintenia indicano che, nonostante la plasticità che contribuisce alla diversità/evoluzione dei genomi vegetali, l’organizzazione genica è mantenuta in ampi tratti dei cromosomi.

Ciò faciliterà i progressi biotecnologici che mirano all’inserimento di geni utili in piante da raccolto.

Segmenti genomici di Arabidopsis presentano ampia colinearità con regioni genomiche di generi correlati come Brassica ma anche con specie molto più distanti filogeneticamente.

Puya raimondii è un pessimo sistema modello: Fiorisce ogni 100 anni e raggiunge i 10 metri di altezza. Non si conosce nulla della sua genetica e del suo genoma

Arabidopsis thaliana è un buon sistema modello: fiorisce dopo 1 mese, raggiunge i 30-50 centimetri di altezza e cresce bene in laboratorio.

L’importanza dei sistemi modello

Perché Arabidopsis???

Arabidopsis thaliana eletta pianta modello su 250000 piante

• “generation time” molto breve: un ciclo vitale in 5/6 settimane • taglia piccola• genoma nucleare piccolo, distribuito su 5 cromosomi• produzione di un gran numero di “eredi”• poco DNA ripetuto

• facilmente trasformabile ad alta efficienza

QUINDI:

• Ampia disponibilità di banche YAC, BAC, etc..

• Consorzio AGI per sequenza genoma

• Numerose collezioni di mutanti chimico/fisici

• Numerose collezioni di mutanti inserzionali(Genetica Forward/Reverse)

• Disponibilità di markers molecolari, genetici

Gymnosperms

Angiosperms150/300 Myr

BrassicaceaeArabidopsis thaliana

Brassica oleracea

Sorghum bicolor

Zea mays

Hordeum vulgare

Triticum aestivum

Oryza sativa

Graminaceae

Eudicots

Solanaceae

Monocots

Vitaceae

FabaceaeGlycine max

Pisum sativum

Phaseolus vulgaris

Medicago trunacatula

Medicago sativa

450/700 Myr

• Studi genetici e citogenetici sono iniziati subito dopo la

riscoperta dei principi della genetica all’inizio dell’ultimo

secolo Nel 1907 era già noto che Arabidopsis aveva solo 5

cromosomi• Nel 1937 Arabidopsis è stata studiata per gli effetti della

luce sul flowering e la dormienze dei semi• Anche la grande variabilità naturale in tratti fisiologici nei

diversi ecotipi era di interesse• Nel 1943 Arabidopsis è stata proposta come modello per la

genetica e la biologia dello sviluppo• Nel 1947 è stato dimostrato che le mutazioni con raggi X

producevano mutazioni nel genoma di Arabidopsis

Come Arabidopsis è diventata un modello……

• Nel 1965 c’è stata la “First International Conference” • Ciò nonostante l’ampio sviluppo di Arabidopsis come

sistema modello risale ai primi anni ‘80• Il primo paper su Arabidopsis come sistema modello della

biologia molecolare delle piante è del 1987 (Meyerowitz)• Mappe RFLP e librerie di cosmidi e YACS sono state

prodotte• Nel 1992 sono stati clonati i primi geni per “positional

cloning”• Negli anni ‘80/’90 sono stati sviluppati i protocolli per la

trasformazione genetica di Arabidopsis• E’ stata così prodotta la prima collezione di mutanti

inserzionali

The Multinational Coordinated Arabidopsis thaliana Genome Research Project (1990-2001)

1990 Obiettivi:Analisi del genoma di Arabidopsis

• Mutagenesi a saturazione e sviluppo di metodi per transposon tagging per definire funzionalmente quanti più geni possibile• Creazione di librerie cDNA ed EST che rappresentino diversi tessuti e tipi cellulari• Integrazione di mappe fisiche e genetiche• Mappatura dei centromeri• Sequenziamento dell’intero genoma

2001 Risultati:• Disponibili più di 500.000 linee di mutanti sia chimici che inserzionali• Più di 150.000 ESTs in banca dati; librerie di cDNA disponibili• Mappa delle linee Inbred ricombinanti disponibili, usata per costruire mappe fisiche BAC,YAC e P1 nel 1997• Completamento della sequenza del genoma Dicembre 2000

1990 Obiettivi:

Information Sharing & Database• Sviluppo di un programma informatico che faciliti lo

scambio dei risultati

Sviluppo di Tecnologie per gli studi di Genomica Vegetale• Nuove tecniche di trasformazione

2001 Risultati:• TAIR: http://www.arabidopsis.org; • AGR: http://ukcrop.net/agr/ • Tecnologie di “infiltrazione sotto vuoto” e “floral dip”

Caratteristiche del genoma di A.thaliana

• mostra evidenze di una vecchia poliploidia: circa il 58-60% del genoma di Arabidopsis rappresenta un’ampia duplicazione per segmenti

• 35% geni unici

• contiene circa 26.200 geni

• 37.5% geni che esistono come membri di famiglie geniche di almeno 5 geni

• genoma di 125 Mb circa

• le regioni centromeriche, anche se ampiamente eterocromatiche, contengono almeno 47 geni espressi

• contiene circa 150 famiglie proteiche uniche di piante, di cui 16 sono famiglie di TFs