Biologia vegetale

Il gruppo di Biologia Vegtale

Presso i laboratori di “Biochimica vegetale”, “Biologia molecolare vegetale”, “Biotecnologie vegetali” del DBB, un gruppo attualmente composto da 2 professore associati e 2 professori ordinari del SSD BIO/04 Fisiologia vegetale  conduce una variegata attività di ricerca sui vegetali, iniziata circa 40 anni orsono, in campo biochimico, genetico e  molecolare, occupandosi sia di aspetti di base che applicativi e avvalendosi di molteplici approcci sperimentali, incluso quello  transgenico. Nel corso degli anni sono stati via via utilizzati i più svariati materiali sperimentali, dalle colture di cellule vegetali in vitro, a organi o tessuti vegetali di varia origine, alle piante allevate in fitotrone o provenienti dal campo.

Gli obbiettivi generali e unificanti di tali ricerche sono sostanzialmente una maggiore conoscenza di alcuni processi di base biochimico/molecolari e fisiologici dei vegetali e delle loro implicazioni nel  miglioramento genetico di diverse caratteristiche delle piante coltivate legate a: produttività/resa; qualità nutrizionali, commerciali o industriali dei prodotti vegetali; aspetti relativi alla diminuzione dell’impatto ambientale dell’agricoltura moderna.

Docenti: Alma Balestrazzi; Daniela Carbonera; Anca Macovei; Rino Cella; Erik Nielsen

Dottorandi: Andrea Pagano, Alessandra Bartolucci
Borsisti (post-dottorato): Enrico Doria, Eleonora Boncompagni, Matteo Faè, Susana Araujo

1) Bochimica vegetale - Prof. Erik Nielsen

Responsabile: Prof. Erik Nielsen
Collaboratori:

Nel corso del 2015, le ricerche di base hanno riguardato per lo più:

  • Quantificazione di sostanze goitrogeniche (appartenenti alla famiglia dei C-glucosil flavoni) e di fitina in 150 linee pure di miglio, ricerca svolta nell’ambito di un progetto finanziato dalla fondazione Cariplo (new pearlmillet) volto a migliorare le qualità nutrizionali di questo cereale.

Le ricerche di carattere applicativo del 2015 hanno riguardato principalmente:

  • Analisi e caratterizzazione dei trigliceridi e delle xantofille prodotti e accumulati in diverse condizioni ambientali stressanti da un ceppo della microalga Scenedesmus obliquus precedentemente isolato e da microcisti della microalga Haematococcus pluvialis ricevuto da un gruppo di ricerca argentino col quale è da anni in corso una collaborazione.
  • Verifica della presenza e dei livelli di composti dotati di attività nutra/cosmoceutica in parti di scarto di piante orticole o da frutto (prodotti di prima e di quarta gamma).
  • Caratterizzazione di attività lignocellulolitiche di alcune specie di funghi che degradano il legno di pioppo (in collaborazione con il Dipartimento di Ecologia del Territorio di UNIPV)

2) Biologia molecolare vegetale - Prof. Rino Cella

Responsabile: Prof. Rino Cella
Collaboratori:

“Molecular farming”: produzione in piante transplastomiche di tabacco di enzimi ricombinanti utili per la digestione di biomasse lignocellulosiche e loro uso per la produzione di biocarburanti di seconda generazione.
Il  programma di ricerca-e-sviluppo è finalizzato alla messa a punto di procedure sostenibili per la produzione di biocarburanti di seconda generazione. In particolare, utilizzando il concetto noto come “molecular farming” abbiamo prodotto piante di tabacco in grado di accumulare gli enzimi idrolitici necessari per la digestione di biomasse ligno-cellulosiche. A tal fine, è stata utilizzata la trasformazione del genoma plastidico (plastoma) che offre la possibilità di accumulare elevate quantità degli enzimi di interesse all’interno del cloroplasto.  Dal punto di vista della bio-sicurezza, avendo il tabacco una eredità del plastoma di tipo materno, non si ha la dispersione del transgene per mezzo del polline. La sperimentazione è attualmente orientata a ottimizzare le condizioni mediante le quali gli enzimi ricombinanti favoriscono l’aumento e l’accelerazione della produzione di biogas mediante biodigestione anaerobica.

Analisi funzionale del meccanismo di sintesi translesione e di rimozione di basi in Arabidopsis
Quando specie reattive dell'ossigeno (ROS), formatesi durante il metabolismo cellulare, attaccano il DNA si producono modificazioni genotossiche che interferiscono con la sua corretta replicazione. La formazione di basi ossidate quali 7,8-diidro-oxo-guanine (8-oxo-G) è pericolosa per la cellula e, in certe situazioni, la loro mancata rimozione può portare a un completo blocco delle DNA polimerasi replicative. DNA polimerasi specializzate, sono in grado di superare il blocco grazie alla sintesi translesione (TLS) ma così facendo sono potenzialmente mutageniche a causa di appaiamenti anomali. Pertanto, il giusto appaiamento della base corretta contro la base modificata è di enorme rilevanza per evitare l'insorgere di mutazioni. La rimozione di basi può avvenire grazie al processo noto come Base Excision Repair (BER). Il genoma di Arabidopsis contiene i geni che codificano tutte le glicosilasi coinvolte nel BER quali uracile-DNA-glicosilasi (UDG), oxoguanina glicosilasi (OGG1) e MUTYH glicosidasi, mentre manca il gene codificante la DNA polimerasi beta (PolB). Pertanto, la sola polimerasi della famiglia X è la polimerasi lamda (PolL). Ciò pone il problema delle modalità di esecuzione della BER in Arabidopsis.

Oltre alle polimerasi eta (PolH, famiglia Y) e zeta (PolZ, famiglia B), anche PolL è in grado di fare la TLS. In realtà, in presenza di PCNA e RPA la polimersi umana è molto più efficiente della PolH. Arabidopsis possiede due geni codifcanti PCNA ma abbiamo dimostrato che solo PCNA2 interagisce con PolL durante la TLS. Ci si propone ora di valutare come AtPolL interagisca con OGG1 e MUTYH nella risposta allo stress ossidativo.

 

3) Biotecnologie vegetali - Prof. Alma Balestrazzi, Prof. Daniela Carbonera, Prof. Anca Macovei

Responsabile: Prof. Alma Balestrazzi, Prof. Daniela Carbonera
Collaboratori: Dott. Susana Araujo, Dott. Andrea Pagano

Ruolo dei processi di riparo del DNA nella risposta della pianta agli stress abiotici. Obiettivo della ricerca: caratterizzazione molecolare di geni coinvolti nella risposta al danno genotossico (DNA Damage Response-DDR) utili a definire i profili di resistenza a stress abiotico nelle piante coltivate. L’attività di ricerca del Laboratorio di Biotecnologie Vegetali ha condotto all'isolamento e caratterizzazione molecolare di nuovi geni coinvolti nei processi di riparo del DNA in planta. Tale studio, condotto nella leguminosa modello Medicago truncatula, ha evidenziato per la prima volta in ambito vegetale la presenza della famiglia genica Tdp1 (Tirosil-DNA fosfodiesterasi) e del gene TFIIS-like. L'espressione dei geni MtTdp1a, MtTdp1b, e MtTFIIS-like è indotta da stress ossidativo/genotossico causato da esposizione a metalli pesanti e stress osmotico, confermando il ruolo svolto da questi geni nell’ambito della risposta DDR attivata in condizioni ambientali sfavorevoli. Queste nuove funzioni sono state indagate utilizzando approcci di gene silencing, RNA-Seq, e test di genotossicità (Comet Assay-Single Cell Gel Electrophoresis, DNA diffusion).

Balestrazzi Figura 1 Caratterizzazione funzionale del gene MtTdp1a in Medicago truncatula (Donà et al. 2013, J. Exp. Bot. 64: 1941-1951). A. Fenotipo indotto da Post-Transcriptional Silencing (PTS) del gene MtTdp1a. B.  Accumulo di specie reattive dell’ossigeno in tessuto fogliare. CTRL, linea controllo. 1, 2a1, 2a, linee silenziate.

Profilo molecolare della qualità del seme. Obiettivo: individuazione di indicatori molecolari del vigore del seme. I meccanismi di riparo del DNA si attivano durante la fase precoce della germinazione del seme (fase di imbibizione), quando si avvia il cosiddetto “metabolismo pre-germinativo”. E’ stato predisposto un sistema costituito da semi di piante modello (Leguminose, Medicago truncatula; Solanacee, Petunia hybrida) in fase di imbibizione che consente di validare il ruolo di nuovi geni coinvolti nei meccanismi di riparo del DNA in relazione alla ripresa del metabolismo pre-germinativo. E’ stata in seguito avviata una attività di ricerca traslazionale su specie orticole di interesse commerciale e cereali svolta in collaborazione con Industrie Agro-Sementiere italiane (ATLAS srl, APSOVSEMENTI srl) e straniere (Bejo BV, Hoopmann Group), Breeders (NIRP International), e con gli Istituti CREA-SCV (S. Angelo Lodigiano, LO), CREA-FSO (Sanremo, IM).

Balestrazzi Figura 2

A, B. Medicago truncatula, germinazione del seme (protrusione della radichetta, germogli). C. Esempio di Comet Assay effettuato su germogli di Medicago truncatula per rilevare il danno al DNA.

Meccanismi di riparo del DNA indotti da radiazioni ionizzanti (IR) in cellule vegetali: aspetti di base e applicati (in vitro breeding). I meccanismi di riparo del DNA e la risposta antiossidante sono analizzati in cellule vegetali naturalmente radio-tolleranti (Petunia hybrida, Medicago truncatula) irraggiate con sorgenti di radiazione gamma LDR (Low Dose Rate) e HDR (High Dose Rate) allo scopo di individuare i componenti chiave della risposta LD(Low Dose)/LDR. La risposta al danno indotto da radiazioni ionizzandi può indurre differenti tipi di meccanismi di riparo del DNA, alcuni dei quali si definiscono “error-prone” poiché a seguito della rimozione delle lesioni non sono in grado di garantire la sintesi di una sequenza di DNA identica a quella pre-esistente. Questo effetto di mutagenesi indotto da enzimi del riparo di tipo “error-prone” può essere modulato in base ai parametri fisici (dose totale e “dose rate”) dell’irraggiamento e alle caratteristiche della risposta DDR (DNA Damage Response) di ciascun genotipo/varietà/cultivar. Una conoscenza più approfondita dei componenti molecolari della risposta DDR a radiazioni ionizzanti LDR e HDR è indispensabile per lo sviluppo di protocolli avanzati di miglioramento genetico (“breeding”) di piante di interesse commerciale.

Balestrazzi Figura 3

In vitro breeding. Rappresentazione schematica del processo.

COLLABORAZIONI NAZIONALI
CREA-FSO, Unità di Ricerca per la Floricoltura e le Specie Ornamentali (Sanremo-IM), Dott. Annalisa Giovannini.
CREA-SCV, Unità di Ricerca per la Selezione dei Cereali e la Valorizzazione delle Varietà Vegetali (S. Angelo Lodigiano-LO), Dott. Patrizia Vaccino.
CNR-IPSP, Bari, Dott. Paola Leonetti.

COLLABORAZIONI INTERNAZIONALI
Instituto de Tecnologia Quimica e Biologica (ITQB)-Università Nuova di Lisbona (Portogallo). Dott. Susana Araujo, Dott. Pedro Fevereiro.
Institute of Experimental Botany, Praga. Czech Academy of Science. Dott. Karel Angelis
Institute of Plant Genetics, Poznan. Polish Academy of Science. Dott. Jorge Paiva
ICGEB, New Delhi (India). Dott. Narendra Tuteja.
National Technical University, Atene (Grecia). Dott. Alex Georgakilas