le intuizioni di darwin applicate all’agricoltura

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Prof. Adriano Marocco Università Cattolica del Sacro Cuore Convegno “Darwin, evoluzione e agricoltura” Piacenza, 26 novembre 2009 Le intuizioni di Darwin applicate all’agricoltura

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Page 1: Le intuizioni di Darwin applicate all’agricoltura

Prof. Adriano MaroccoUniversità Cattolica del Sacro Cuore

Convegno “Darwin, evoluzione e agricoltura”

Piacenza, 26 novembre 2009

Le intuizioni di Darwin applicate all’agricoltura

Page 2: Le intuizioni di Darwin applicate all’agricoltura

La variazione spontanea, i cambiamenti nel DNA,i caratteri utili

Evoluzione delle sequenze del DNA

Page 5: Le intuizioni di Darwin applicate all’agricoltura
Page 7: Le intuizioni di Darwin applicate all’agricoltura

Il 25 Aprile 1953 James Watson e Francis Crick rivelarono la struttura della molecola del DNA in cui è scritto il progetto genetico

degli organismi

Page 9: Le intuizioni di Darwin applicate all’agricoltura

Specie N° cromosomi

(n)

Dimensione genoma

(Mbp)

Riso 12 400

Mais 10 2.800

Frumento 21 16.500

Page 10: Le intuizioni di Darwin applicate all’agricoltura

Shrunken10-6

Soppressore del colore I

10-4

Page 11: Le intuizioni di Darwin applicate all’agricoltura

Mo17

B73

Brunner et al., 2005 Plant Cell 17: 343; Morgante et al., 2005 Nat. Genet. 37: 997

Locus 9008 Cromosoma 2SBin2.04 Markers umc1326 - umc1448

Page 12: Le intuizioni di Darwin applicate all’agricoltura

33356869C P H A K L I G P T K P P L Y R S V T W N E Y L G T K A K H F N K A L 348S i V P U V S U V E S ~ l O ~ l K349 ~ H ~ S S V R L C T P I N G L F O V N D S N K N S V O V G 374 Pea3Bh

Alto basso

Lester et al., 1997 Plant Cell 9

Page 13: Le intuizioni di Darwin applicate all’agricoltura

La rivoluzione verde di Norman Borlaug:le varietà

di frumento e 

riso a bassa taglia ed  elevato indice di raccolto

Hidden 2003. Trends Genet. 19: 5; Salamini 2003. Science 302: 71 .

Page 14: Le intuizioni di Darwin applicate all’agricoltura

glucosioSBE 1

Amilosio Amilopectina

LiscioRugoso

Bhattacharyya et al. 1990 Cell 60: 115

Page 15: Le intuizioni di Darwin applicate all’agricoltura

TEnel gene

TE attivotardivamente

TE fuori dal gene

TE attivoprecocemente

TE

Nessunprodotto

Prodotto delgene

Excisione

Page 16: Le intuizioni di Darwin applicate all’agricoltura

Relazioni di discendenza del mais (Zea mays mays), dei teosinte e di Tripsacum.

9.000 anni fa

Brandolini, 2006 Il mais in Italia, CRF Bergamo

Page 17: Le intuizioni di Darwin applicate all’agricoltura

Teosinte

tb1, teosinte branched

tga1, teosinte glume architecture

ra1, ramosa

Mais

Desprez et al. 2003 Science 302: 1206; Vollbrecht e Sigmon 2005 Biochem. Soc. Transact. 33: 1502

Page 18: Le intuizioni di Darwin applicate all’agricoltura

Mais primitivo. Teosinte (sinistra) e mais primitivo (destra). Il mais primitivo è stato ricostruito incrociando Teosinte con mais argentino.

Spiga di mais delle Ocampo Caves (Venezuela), datata 3890 ± 60 anni fa. Lunghezza, 47 mm.

Page 19: Le intuizioni di Darwin applicate all’agricoltura

Mo17

B73

Teosinte

tb1

tga1Mais

Equilibripunteggiati

Evoluzionea salti

Page 20: Le intuizioni di Darwin applicate all’agricoltura

1862 1865 1868 1875 1876 1877 1880 1881

Le opere botaniche successive all’Origine delle Specie

Page 21: Le intuizioni di Darwin applicate all’agricoltura

La fecondazione incrociata e l’autofecondazione

Le forme di autoincompatibilità

La superiorità degli ibridi

Page 22: Le intuizioni di Darwin applicate all’agricoltura

Nel corso di 37 anni, Darwin ha lavorato su 57 specie vegetali. Ha riprodotto e incrociato le piante in campo e in serra.

Ha analizzato le progenie per caratteri morfologici e fisiologici (altezza, peso, fertilità) ed ha raccolto i dati in con molto scrupolo.

Per l’interpretazione di alcuni dati sperimentali ha fatto ricorso a Galton che ha condotto l’analisi statistica.

'The Mount‘, Shrewsbury, c. 1860

Page 23: Le intuizioni di Darwin applicate all’agricoltura

Frumento, autogamo

Mais,monoico

Pomodoro, autocompatibile

Pepe, unisessuale/ermafrodita

Girasole, autocompatibile

Page 24: Le intuizioni di Darwin applicate all’agricoltura

1862 1865 1868 1875 1876 1877 1880 1881

Page 25: Le intuizioni di Darwin applicate all’agricoltura

Primula sinensis

Qui

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essa

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e.

Fiori con eterostilia dimorfa (Darwin, 1877)

Forma a stilo lungo

PIN

Forma a stilo cortoTHRUM

Unione omomorfaFecondità incompleta

Unione eteromorfaUnione omomorfa

Fecondità incompleta Feconditàcompleta

Autoincompatibilita’ eteromorfica o eterostilia

Page 26: Le intuizioni di Darwin applicate all’agricoltura

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Lithrum salicaria

Fiori con eterostilia trimorfa (Darwin, 1877)

Stilo lungo

Stilo medio

Stilo corto

Page 27: Le intuizioni di Darwin applicate all’agricoltura

Polline auto-incompatibile

Degradazione

Stigma

Blocco germinazione

Brassicacee o Crucifere

Autoincompatibilita’ monomorfica

Goring e Walker 2004 Science 303: 1474-1475

Page 28: Le intuizioni di Darwin applicate all’agricoltura

1862 1865 1868 1875 1876 1877 1880 1881

Page 29: Le intuizioni di Darwin applicate all’agricoltura

Riduzione dell’allegagione e dei semi per frutto in specie eteromorfe dopo impollinazione incompatibile (impollinazione compatibile = 100)

SPECIE ALLEGAGIONE % SEMI PER FRUTTO %

Primula (media di 9 specie) 88 69Hottonia palustris (1) _ 61Linum grandiflorum _ 69Linum perenne _ 20Linum perenne (2) 0 0Pulmonaria officinalis (2) 0 0Pulmonaria angustifolia 35 32Mitchella repens 20 47Borreria sp. _ 0Poligonum fagopyrum _ 46Lythrum salicaria 33 46Oxalis Valdiviana (2) 2 34Oxalis Regnelli 0 0Oxalis speciosa 15 49

(1) da H. Muller (1873) (2) rispettivamente da Hildebrand (1869, 1865, 1871)

Page 30: Le intuizioni di Darwin applicate all’agricoltura

Semi(%) prodotti da piante di diversa origine (Ibrido = 100)(Darwin, 1877)

SPECIE IBRIDO SIB SELF

Mimulus luteus 100 4 5

Eschscholtzia californica 100 45 40

Dianthus caryophyllus 100 45 33

Petunia violacea 100 54 46

Page 31: Le intuizioni di Darwin applicate all’agricoltura

Specie in cui Darwin ha trovato ibridi superiori per altezza, peso e fertilità.

Brassica oleracea Reseda odorata e lutea Limnanthes douglasii Papaver vagum Viscaria oculata Beta vulgaris Lupinus luteus Ipomaea purpurea Mimulus luteus Calceolaria sp. Verbascum thapsus Vandellia nummularifolia Lactuca sativa Zea mays

Page 32: Le intuizioni di Darwin applicate all’agricoltura

Altre osservazioni genetiche trovate nelle opere di Darwin.

Le piante derivate da incroci sono più tolleranti agli stress abiotici e sono più produttive.

Nel 1881, Darwin incita il Dr.William James Beal a condurre esperimenti sui

mais ibridi.

Indicazione di distanze minime fra campi per prevenire l’interincrocio nel

corso della produzione di seme commerciale.

Page 33: Le intuizioni di Darwin applicate all’agricoltura

William Beal1833-1924

George H. Shull1874-1954

Lussureggiamento ovigore degli ibridi o eterosi

Beard e Cookingham 2007 Agron. J. 99: 1180; Crow 1998 Genetics 148: 923

Page 35: Le intuizioni di Darwin applicate all’agricoltura

aaAA X Aa

Sovradominanza

AA X aa Aa

Dominanza

Schnable, Swanson-Wagner 2009 In: Handbook of Maize: Its Biology.Bennetzen, Hake (Eds), Springer, pagg. 457-467

Page 36: Le intuizioni di Darwin applicate all’agricoltura

Varietà

Ibridi semplici

Ibridi a4 vie

Anno

Prod

uzio

ne

200619501900

Page 37: Le intuizioni di Darwin applicate all’agricoltura

1862 1865 1868 1875 1876 1877 1880 1881

Page 38: Le intuizioni di Darwin applicate all’agricoltura

Nell’evoluzione dell’universo e della vita, il mondo ci appare come un “libro” in cui, malgrado gli elementi irrazionali e caotici, la ragione è capace di penetrare.

In questo modo la scienza stessa scopre che questo libro “è leggibile”; esso ha senso, possiede una logica e perfino una “matematica intrinseca” che possiamo cogliere come ordine e come innegabile finalità. In questo compito scienza e filosofia si muovono insieme nella riflessione sul delicato equilibrio che struttura il mondo fisico, la vita e il suo sviluppo, per arrivare anche a ciò che è specifico della persona umana.

Dal discorso di Benedetto XVI alla Sessione Plenaria della Pontificia Accademia delle Scienze, 2008