Verso la selettocoltura di conifere geneticamente più avanzate
Essendo i più grandi, i più alti e i più longevi organismi viventi non clonali sulla Terra, le conifere hanno un’immensa importanza ecologica, dominano molti paesaggi terrestri e rappresentano il più grande pozzo di assorbimento del carbonio. Hanno una grande importanza economica perché sono un fattore fondamentale della produzione di legname, carta e biomassa. Ma prima di tutto, il fatto che il loro genoma abbia deviato da quello delle angiosperme oltre 300 milioni di anni fa significa che forniscono una visione diversa della biologia e dell’evoluzione del genoma di una pianta. Il 30 % circa dei geni della conifera mostra una somiglianza scarsa o nulla con i geni delle piante di cui si conosce la funzione e ha sviluppato sistemi di adattamento fisiologico molto efficienti. Tenendo conto di questo immenso valore, il team del progetto PROCOGEN (Promoting a functional and comparative understanding of the conifer genome – implementing applied aspects for more productive and adapted forests) si è proposto di portare i programmi di allevamento avviati 50 a 70 anni fa a un livello completamente nuovo, effettuando il sequenziamento del genoma di due importanti specie di conifere europee. PROCOGEN si occupa in particolare del sequenziamento del genoma del pino silvestre e del pino marittimo. Perché questa scelta? Carmen Diaz-Sala / Maria Teresa Cervera: PROCOGEN fornisce informazioni sulle sequenze del genoma del Pinus pinaster e del Pinus sylvestris. Sono due specie di pino europeo di importante valore ecologico ed economico, con una diversa distribuzione geografica e diverse capacità di adattamento. Nel corso del progetto, abbiamo analizzato il controllo molecolare dei processi di adattamento in diversi modelli di specie di conifere europee che hanno sviluppato meccanismi di adattamento, come quelli legati alla crescita in ambienti in cambiamento, e le reazioni alla siccità (Pinus pinaster) e l’acclimatamento al freddo (Pinus sylvestris e Picea abies). Quali sono secondo voi gli altri risultati importanti che avete raggiunto durante il progetto? Uno degli obiettivi principali di questo progetto era creare collaborazioni con altre iniziative a livello mondiale sulla genomica delle conifere, in modo da poter acquisire una più ampia base di conoscenze sulla struttura, la funzione e l’evoluzione del genoma delle conifere. Questo impegno di collaborazione è stato aiutato dalla partecipazione dei membri di PROCOGEN a diverse iniziative di sequenziamento e caratterizzazione del genoma delle conifere. Studi comparativi basati sulla genomica e la trascrittomica ci hanno dato informazioni su particolari caratteristiche del genoma delle conifere. Ci hanno permesso di identificare famiglie di geni con gimnospermi e angiosperme estesi in modo differenziale, per dedurre un ritmo evolutivo più lento nelle conifere usando marcatori COS (set di geni ortologhi conservati) e analizzare il ruolo dell’espressione genetica e della selezione naturale nel dar forma all’evoluzione dei geni di codificazione proteica che appartengono alle famiglie genetiche delle conifere (geni legati alla biologia riproduttiva, geni associati allo stress, ecc.). Inoltre i risultati della mappatura genetica comparativa ci hanno aiutato a riesaminare la visione statica dell’evoluzione genomica delle conifere, che era stata dedotta essenzialmente a partire da confronti delle specie di Pinaceae. Questi risultati sostengono una nuova ipotesi di riorganizzazioni cromosomiche sostanziali tra famiglie di conifere: mediante un diverso numero di fusioni, queste riorganizzazioni avrebbero dato forma ai 12 cromosomi delle moderne specie di Pinaceae e agli 11 cromosomi delle moderne specie di Cupressaceae. Avete menzionato la collaborazione internazionale. Potete parlarci degli altri progetti con i quali vi siete collegati e il valore aggiunto da essi apportato alla vostra ricerca? PROCOGEN ha collaborato con progetti finanziati dall’UE, come EVOLTREE, NOVELTREE, TREEBREEDEX e FORESTTRAC, e con altri progetti sulla genetica, genomica, selettocoltura e gestione delle foreste delle conifere. Questa ricerca di sinergie ci ha portato anche in Nord America e in Canada, dove sono in corso altri progetti simili al nostro. Questa collaborazione ha portato benefici da entrambe le parti. PROCOGEN ha acquisito preziose informazioni sulle popolazioni di conifere per la selettocoltura e le sperimentazioni, le esigenze della ricerca, questioni pratiche e sfide legate all’implementazione della conservazione dei geni degli alberi forestali. Questo lavoro di collaborazione ci ha aiutato a identificare i geni candidati che contribuivano a tratti importanti dal punto di vista economico ed ecologico. Una volta integrate queste informazioni, abbiamo creato nuovi genomi di pini di riferimento, un ampio catalogo di geni coinvolti nelle risposte di adattamento, un’identificazione del valore di adattamento delle varianti alleliche e informazioni derivate dagli studi genomici comparativi. Il risultato è stata la generazione di un database integrato sulle conifere. Per migliorare ulteriormente la collaborazione con altre iniziative in tutto il mondo sulla genomica delle conifere (in Russia sul Pinus sibirica e la Larix sibirica, in Nuova Zelanda sul Pinus radiata e in Giappone sulla Cryptomeria japonica), i partecipanti a PROCOGEN hanno organizzato anche incontri aperti per altre iniziative incentrate sulle conifere. Questo progetto integrativo ha dato un grande contributo per rendere più forte il vantaggio competitivo della ricerca europea sulla genomica delle conifere e la bioinformatica. A parte il database di informazioni che avete appena menzionato, che tipo di strumenti avete creato durante il progetto? Sono stati sviluppati diversi strumenti nell’ambito di PROCOGEN, per esempio strumenti analitici per la ricerca di base e applicata in programmi di selettocoltura e salvaguardia. Abbiamo sviluppato anche un’ampia gamma di strumenti e tecniche molecolari: Sistemi di cattura dell’esoma ideati per specifiche specie di conifere; un set di geni COS di conifere e i marcatori a essi associati; una mappa di riferimento dell’attività trascrizionale e le risposte di adattamento dei tessuti del pino (compreso un catalogo dei geni espressi ed elementi regolatori della trascrizione come fattori di trascrizione, sRNA ed elementi epigenetici); fitte mappe genetiche basate sui marcatori ortologhi; strumenti di pre-allevamento (cioè gamme di genotipizzazione per la ricostruzione del pedigree, ecc.) e diversi sistemi di genotipizzazione SNP ad alta produzione di dati. Quest’ultimo ci permette di valutare la diversità genomica su scala naturale delle specie e di ridefinire le collezioni centrali. I nostri strumenti di bioinformatica comprendono un portale per l’annotazione strutturale e funzionale e lo scambio di dati di genomica delle gimnosperme/informazioni di trascrittomica. Abbiamo integrato le informazioni di PROCOGEN anche nella piattaforma comparativa in-house online PhylomeDB per dedurre alberi filogenetici pre-calcolati per ogni gene. Quando e come le parti interessate saranno in grado di fare uso dei dati e degli strumenti che avete creato? Per quanto riguarda i dati sulla variabilità del genoma, la creazione di profili e la regolazione dell’attività trascrizionale associata allo sviluppo e all’ambiente, strumenti molecolari su misura possono già essere progettati per studiare la crescita e l’adattamento delle risorse genetiche delle conifere. Le gamme di pre-allevamento sono disponibili e strumenti di simulazione e previsione per l’allevamento pratico sono in corso di sviluppo. Sono stati sviluppati strumenti di simulazione per ottimizzare l’integrazione di dati genomici nell’allevamento pratico che sono già stati testati. Altri strumenti sono ancora in corso di sviluppo e si trovano nell’ultima fase prima dell’applicazione. Le informazioni sulla disponibilità degli strumenti si possono trovare sul sito web di PROCOGEN. Che tipo di impatto pensate che avrà PROCOGEN sull’efficacia dei programmi di selettocoltura degli alberi? La maggior parte dei programmi di selettocoltura delle specie di conifere in Europa sono stati attuati in passato per migliorare i tratti di produzione e qualità degli alberi. Gli strumenti di PROCOGEN hanno sviluppato questa tradizione con nuovi criteri di selezione e un allevamento più avanzato e più veloce grazie a quattro passi avanti. Prima di tutto adesso possiamo identificare i geni candidati con i tratti che risponderanno a diversi limiti ambientali. Possiamo anche determinare il potenziale di miglioramento genetico delle loro varianti alleliche, sviluppare gamme di pre-allevamento per una precisa selezione di conifere che mostrano le migliore risposte di adattamento e, infine, assicurare alti livelli di diversità genetica – una strategia chiave per affrontare l’incertezza dei rischi futuri causati dai cambiamenti climatici. È stato affrontato anche il controllo molecolare della plasticità nelle specie legnose. Nel complesso, i risultati di questo progetto contribuiranno allo sviluppo sostenibile e alla competitività a lungo termine del settore forestale dell’UE fornendo informazioni ai coltivatori di conifere e ai manager delle risorse genetiche delle foreste. I nostri strumenti avanzati porteranno a materiale di riproduzione delle foreste più tollerante ai cambiamenti previsti o particolarmente adatto a specifiche condizioni, da usare per la rigenerazione delle foreste e le piantagioni artificiali. Quali sono i vostri piani adesso che il progetto si è concluso? PROCOGEN è fortemente impegnato nell’avanzamento delle conoscenze dei genomi delle conifere e la loro funzione e nel campo del trasferimento della tecnologia. La nostra prossima priorità a questo riguardo è condurre ulteriori analisi funzionali dei genomi delle conifere e studiare i meccanismi di regolazione dei geni che controllano tratti importanti dal punto di vista economico ed ecologico nelle specie modello di conifere. Il trasferimento di tecnologia prende in considerazione non solo il trasferimento di conoscenze e metodi generati o verificati durante il progetto, ma anche l’enorme impegno necessario per tradurre risultati genomici di base in applicazioni pratiche al fine di permettere un miglioramento genetico e una gestione delle risorse facilitato dal genoma. PROCOGEN Finanziato nell’ambito di FP7-KBBE Pagina del progetto su CORDIS Sito web PROCOGEN
Paesi
Spagna