La genetica vegetale spiegata ai ragazzi

1. Una gita nella BIOLOGIA MOLECOLARE al
Centro di Ricerca per la Genomica
e Post genomica di Fiorenzuola d’Arda

2. Gregor Mendel e il
suo orto…
Gregor Mendel - 1866

3. Gregor Mendel e il
suo orto…
Cosa succede
se incrocio piante
con caratteristiche
contrastanti?

4. Gregor Mendel e il
suo orto…
Incrocio caratteri non sono
Alcuni una pianta dai fiori
viola con una dai fiori
presenti nella prima
generazione…
bianchi…

5. Gregor Mendel e il
suo orto…
…Ma se reincrocio le piante
…il carattere ricompare nelle
dai fiori viola della prima
generazioni successive…
generazione…

6. La “scoperta”
della
genetica x
P1 P2
…”qualcosa” viene
ereditato da una
generazione all’altra ed è
in grado di trasmettere
le CARATTERISTICHE
dei genitori
F1
F2

7. Il DNA !!!
Esiste un PRINCIPIO
TRASFORMANTE che
trasmette le caratteristiche
da una generazione all’altra
Oswald Avery,
McLeod e McCarthy -
1944
Frederick Griffith - 1928
Ciò che viene trasmesso da
una generazione all’altra e
determina le caratteristiche
di ogni essere vivente è il Alfred Hershey e Martha
DNA Chase – 1952

8. La struttura del
Esistono 4 tipi di NUCLEOTIDI:
contengono 4 diverse BASI AZOTATE: DNA !!!
A, T, C, G.
Le basi si accoppiano seguendo una
regola precisa: Il DNA o ACIDO
Adenina con Timina DESOSSIRIBONUCLEICO è
Citosina con Guanina un POLIMERO costituito da
MONOMERI: i
NUCLEOTIDI
Erwin Chargaff - 1950

9. La struttura del
DNA !!! Due filamenti di DNA si
avvolgono su se stessi
formando una DOPPIA ELICA.
…le BASI AZOTATE Lo zucchero, il
(A, T, C, G) si accoppiano A T DESOSSIRIBOSIO,
fra loro e si trovano al costituisce lo scheletro del
centro della doppia elica. C G DNA e si trova all’esterno…
L’ordine delle basi
costituisce la SEQUENZA A T
del DNA
G C
C
G
T
A
C G
G C
A T
C G
Rosalind Franklin -1953 James Watson e Francis Crick -1953

10. La struttura del
DNA !!!
Determinati segmenti di DNA
formano i GENI.
“serie” di GENI formano i
CROMOSOMI.
I CROMOSOMI e quindi il DNA
vengono EREDITATI.
Il materiale genetico di un individuo
viene definito GENOMA.

11. Dov’è il DNA ???
Il DNA si trova in tutte
le cellule degli organismi
viventi. Negli organismi
EUCARIOTI (piante,
animali, uomo…) si trova
all’interno del NUCLEO

12. Come funziona il DNA ???
Informazione
genetica
Funzione
Un GENE, quindi un
segmento di DNA, da’
l’informazione per
costruire una
PROTEINA
George Beadle ed Edward Tatum -
1941

13. Cos’è una PROTEINA???
Una PROTEINA è un
Esistono 21 tipi diversi di POLIMERO costituito da
AMINOACIDI MONOMERI: gli
AMINOACIDI
arg
val
trp lys ile
phe
trp L’ordine degli aminoacidi
trp trp
costituisce la
ile leu ile phe
SEQUENZA della
ile
phe ile
arg
trp proteina.
arg lys
lys
Diversa SEQUENZA = diversa FUNZIONE

14. Come fa un GENE a “costruire” una PROTEINA???
Dal DNA viene
TRASCRITTA una
molecola di RNA
TRASCRIZIONE TRADUZIONE
L’RNA viene
TRADOTTO in una
PROTEINA

15. Dal GENE alla PROTEINA: la TRASCRIZIONE
Filamento antisenso RNA polimerasi
RNA polimerasi RNA polimerasi
Filamento senso
L’RNA-polimerasi
sintetizza una molecola di
RNA trascrivendo il
filamento SENSO del
DNA

16. Dal GENE alla PROTEINA: la TRADUZIONE
La traduzione avviene Delle speciali molecole
all’interno dei “trasportano” gli
RIBOSOMI AMINOACIDI
RNA
L’RNA viene letto e tradotto
3 “lettere” per volta, ad ogni
TRIPLETTA corrisponde un
diverso AMINOACIDO

17. Dal GENE alla PROTEINA: la TRADUZIONE
La traduzione avviene Delle speciali molecole
all’interno dei “trasportano” gli
RIBOSOMI AMINOACIDI
RNA
L’RNA viene letto e tradotto Il modo in cui gli
3 “lettere” per volta, ad ogni organismi leggono i geni
TRIPLETTA corrisponde un si chiama CODICE
diverso AMINOACIDO GENETICO

18. Dal GENE alla PROTEINA: il CODICE GENETICO
Il CODICE GENETICO è
uguale in tutti gli Il linguaggio del DNA è
organismi: batteri, UNIVERSALE
animali e piante

19. Cosa rende diversi due organismi o due cellule?
Un gene è costituito da due
parti principali: il PROMOTORE
e la REGIONE CODIFICANTE
promotore regione codificante

20. Cosa rende diversi due organismi o due cellule?
Il PROMOTORE è una
sorta di INTERRUTTORE
molecolare che dice al gene
DOVE, QUANDO e Dove
QUANTO funzionare esprimere
promotore
Quanto
esprimere
Quando
esprimere

21. Cosa rende diversi due organismi o due cellule?
regione codificante
La REGIONE
CODIFICANTE contiene
le informazioni necessarie
per la codifica della
proteina.
Forme leggermente diverse dello
stesso gene ma con la stessa
funzione corrispondono agli alleli di
Mendel

22. Come si studia il
DNA??? Il DNA può essere
AMPLIFICATO…
Per averne grandi
quantità
..e si può
SEQUENZIARE

23. Il sequenziamento:
gli elettroferogrammi
Ciascun “Picco”
corrisponde ad una
base azotata.
Ogni picco, quindi
ogni base, ha un
colore specifico.

24. Come si studia il
DNA??? Con l’aiuto di ENZIMI
(speciali proteine) il DNA
si può “TAGLIARE” e
“RICUCIRE”
Si può VISUALIZZARE
su dei GEL con l’aiuto di
lampade particolari

25. Cosa sono le BIOTECNOLOGIE?
Applicazioni pratiche
delle nostre conoscenze
sugli organismi viventi
BIOTECNOLOGIE
e le molecole di base significa PRODUZIONE
della vita (DNA e proteine) di beni e servizi
mediante ORGANISMI
VIVENTI, CELLULE o
loro costituenti
tradizionali
biotecnologie
innovative

26. Cosa sono le Le BIOTECNOLOGIE TRADIZIONALI
biotecnologie nascono nella preistoria, da quando l’uomo
ha imparato a sfruttare processi naturali
tradizionali (le FERMENTAZIONI) per produrre il
PANE e il VINO

27. Le BIOTECNOLOGIE INNOVATIVE Cosa sono le
rappresentano un’applicazione della biotecnologie
BIOLOGIA MOLECOLARE, la scienza
che studia le molecole della vita, come innovative
il DNA e le PROTEINE.

28. Le biotecnologie innovative: alcuni esempi
Le IMPRONTE DIGITALI molecolari
Scena
Il DNA rappresenta una caratteristica del
Sospetto
Sospetto B Sospetto
UNICA per ogni organismo. Dal DNA si crimine A C
può quindi risalire all’IDENTITA’ di una
persona e risolvere, per esempio, un
caso giudiziario…

29. Le biotecnologie innovative: alcuni esempi
Le IMPRONTE DIGITALI molecolari
mamma 1 2 3 4 papà
…o a identificare casi di
dubbia PATERNITA’: quale
di questi cuccioli non è figlio
di questi due genitori?

30. Le biotecnologie innovative: alcuni esempi
Le IMPRONTE DIGITALI molecolari
P1 P2 1 2 3 4 5 6 7
S R S S S S R S S
E’ possibile sviluppare
MARCATORI MOLECOLARI
che permettono
l’identificazione del genotipo
RESISTENTE in un
programma di miglioramento
genetico
x =
P1: suscettibile P2: resistente F1

31. Le biotecnologie innovative: alcuni esempi
L’INGEGNERIA GENETICA:
produzione di alimenti funzionali
E’ possibile TRASFORMARE
una pianta coltivata con un
gene di interesse ed
ottenere alimenti con
“valore aggiunto”. Un
esempio: il GOLDEN RICE
Riso
Cariosside Sintesi di carotene
promotore regione codificante
Golden rice: il
riso “dorato”

32. Le biotecnologie innovative: alcuni esempi
L’INGEGNERIA GENETICA: Con la
produzione di farmaci TRASFORMAZIONE
è possibile ottenere
farmaci con
MINORI COSTI
Batterio E.coli Pomodoro, tabacco, patata
Gene per Tossina del colera
l’insulina UMANA (produzione di anticorpi)

33. CRA - GPG
CRA=
GPG= Centro di Ricerca per la
Genomica e la Post Genomica

34. Su quali PIANTE
lavoriamo
orzo
frumento
arabidopsis

35. Con quali
STRUMENTI
lavoriamo
laboratorio
campi sperimentali
computer
robot
serra e celle climatiche
sequenziatori

36. Resistenza a
STRESS ABIOTICI:
freddo e siccità

37. Resistenza a
STRESS BIOTICI:
malattie ed insetti

38. Genotipi mutanti per
studiare processsi
biologici fondamentali

39. Qualità della
PRODUZIONE:
malto, alimentazione
umana e animale

40. In che modo? Come Mendel guardiamo il fenotipo
delle piante e sfruttiamo le sue leggi per ottenere
una progenie con i caratteri che ci piacciono

41. Osserviamo il fenotipo sia in campo che in laboratorio
con strumenti e tecniche sofisticate ed obbiettive
Valutazione dei danni da
stress sulla fotosintesi
Analisi microscopica dell’invasione fungina

42. E poi in laboratorio studiamo i geni e le proteine che
arg
val
trp lysile
phe
promotore regione codificante trp trp trp
ile leu ile phe
phe ile ile
arg trp
arg
lys
lys
causano quei caratteri
P1 P2 1 2 3 4 5 6 7
S R S S S S R S S
x =
P1: suscettibile P2: resistente F1

43. Da qualche anno studiamo tanti geni
contemporaneamente:
Strutturale
la GENOMICA !!!
Funzionale

44. La genomica STRUTTURALE:
le mappe genetiche
Nure x Tremois map (TAG, 2004)

45. La genomica STRUTTURALE:
il sequenziamento dei genomi
……..

46. Il sequenziamento di un genoma
necessita lo sforzo unito
di tante nazioni.
L’Italia partecipa a progetti per
genoma di vite, pesco, olivo,
pomodoro, frumento…
Il CRA-GPG partecipa ai progetti di sequenziamento
di frumento, , pesco, olivo, citrus…
CRA-GPG

47. La genomica FUNZIONALE:
l’analisi del trascrittoma
Questo chip consente
l’identificazione e la quantificazione
di tutti gli mRNA presenti nella cellula
in una certa condizione
di vita della pianta

48. La genomica FUNZIONALE:
analisi del proteoma:
Separazione bidimensionale e identificazione
mediante MS di proteine: per identificare e
quantificare tutte le proteine presenti nella
cellula in una certa condizione di vita della
pianta

51. Ed ora…
impariamo ad
ESTRARRE il
DNA!!!

52. ESTRAZIONE DI DNA DA FOGLIE
•RACCOGLIERE ALCUNE MANCIATE DI FOGLIE E METTERLE IN AZOTO
LIQUIDO (-196°C!!!!). La temperatura estremamente bassa dell’azoto liquido permette di conservare le
foglie in ottime condizioni.
•TRITARE LE FOGLIE IN UN MORTAIO CON IL PESTELLO E L’AZOTO
LIQUIDO FINO AD OTTENERE UNA POLVERE FINE. L’azoto liquido aiuta a “polverizzare”
meglio le foglie, vengono rotti i tessuti e la temperatura molto bassa fa in modo che non si degradino (=rovinino)
le componenti della cellula.
•TRASFERIRE LA POLVERE IN UN BECKER DI PLASTICA E AGGIUNGERE 50ml
DI SOLUZIONE SATURA DI SALE DA CUCINA (NaCL). La soluzione satura, cioè con
moltissimo sale disciolto, fa in modo che la cellula perda moltissima acqua (il fenomeno dell’osmosi), fino a
provocare la rottura delle cellule.
•MESCOLARE E AGGIUNGERE 50ml DI DETERSIVO PER I PIATTI. Nella soluzione
detergente si disciolgono le membrane (ricche di lipidi, cioè di grassi), si completa la rottura delle cellule.

53. ESTRAZIONE DI DNA DA FOGLIE
•MESCOLARE A CALDO (60-65°C). Mentre si completa la rottura delle cellule è importante mantenere
la miscela a caldo. L’alta temperatura infatti inattiva (=distrugge) le DNasi, degli enzimi che degradano (=rompono)
il DNA.
•FILTRARE LA MISCELA IN UN IMBUTO CON CARTA DA FILTRO E RECUPERARE
IL FILTRATO IN UN BECKER DI VETRO. In questo passaggio vengono eliminati i pezzi più grossi di
foglia.
•AGGIUNGERE ETANOLO (ALCOOL) FREDDO. Con l’etanolo il DNA “precipita”, cioè tante molecole
si “appiccicano” assieme e formano dei grumi, che diventano così visibili
•SI SEPARANO 2 FASI: NELLA FASE TRASPARENTE SUPERIORE E’ PRESENTE
L’ALCOOL CON DEI “FILINI” DI DNA. Si separa la fase “detergente” (cioè il detersivo) e quella
“alcolica” (cioè l’etanolo). Il DNA rimane nella parte alcolica ed è visibile sottoforma di piccole matassine.
3.IL DNA PUO’ ESSERE “PESCATO” E CONSERVATO
IN EPPENDORF.
FASE ALCOLICA
+ DNA
FASE DETERGENTE