Programma

GENOMICA DI SPECIE VEGETALI

a) OBIETTIVI FORMATIVI
Il corso si propone di fornire gli strumenti per acquisire le basi culturali, teoriche e sperimentali nel campo della genomica, finalizzate, in particolare, alle possibili manipolazioni migliorative dei genomi di specie vegetali di rilevanza agraria. Il corso intende altresì contribuire all'acquisizione della familiarita' con il metodo scientifico e la sua applicazione, di adeguate conoscenze e strumenti per la comunicazione e la gestione dell'informazione, anche in lingua inglese, nonchè a sviluppare la capacità di lavoro in maniera autonoma e personale

b) RISULTATI DI APPRENDIMENTO ATTESI
1) Conoscenza e capacità di comprensione:
Il Corso si prefigge di fornire conoscenze sulla struttura e sulle modalità di espressione, anche a livello epigenetico, di genomi vegetali, con particolare riferimento a quelli di riulevanza agraria (es. Triticum spp.). Verrà dato ampio respiro alla genomica comparativa, necessaria per eseguire interventi biotecnologici anche in contesti inter-specifici (ingeneria cromosomica e genetica, genome editing).
Nelle capacità di comprensione verrà stimolato l'utilizzo, in forma scritta e orale, della lingua inglese, e dello specifico lessico disciplinare.

2) Conoscenza e capacità di comprensione applicate:
Il Corso è atteso fornire agli studenti gli strumenti cognitivi di base e metodologici per svolgere attivita di ricerca di base ed applicata nel campo della manipolazione dei genomi vegetali, nonchè la capacita di auto-aggiornamento delle conoscenze tramite lettura di qualificata e aggiornata letteratura scientifica internazionale

3) Autonomia di giudizio:
Il corso contribuisce a fornire capacita' di lavorare in autonomia; a questo contribuisce, ed è, di fatto, la modalità di verifica richiesta dagli studenti, la scelta dell'argomento di esame e l'interazione con il docente nella scelta del materiale bibliografico pertinente.

4) Abilità comunicative:
Queste sono particolarmente stimolate nella prova di verifica dell'apprendimento, che consta, nella quasi totalità dei casi, di una presentazione PowerPoint relativa a un argomento a scelta dello studente tra quelli trattati nel corso. Con essa lo studente è stimolato non solo a utilizzare una appropriata sequenza logica nel riferire i metodi, i risultati e l'interpretazione di uno studio,
ma anche ad utilizzare un appropriato linguaggio scientifico,

5) Capacità di apprendere:
Durante lo svolgimento lo svolgimento del corso viene monitorata la capacità ed il grado di apprendimento autonomo dello studente, anche con una modalità interattiva che spesso caratterizza le lezioni frontali.

PROGRAMMA
1. Dimensioni e organizzazioni dei genomi:
• I genomi procariotici ed eucariotici a confronto: il paradosso del valore C descritto attraverso vari esempi nell’ambito delle Angiosperme;
• Le forze che influenzano le dimensioni del genoma e meccanismi di espansione e contrazione (crossing-over ineguale; ricombinazione illegittima).

2. Tipi, numerosità e organizzazione di sequenze geniche e non-geniche nel cromosoma eucariotico - le sequenze non-geniche
• sequenze altamente ripetute telomeriche, centromeriche e intercalari; micro- e mini-satelliti;
• elementi trasponibili (ET) negli Eucarioti: confronto con gli elementi IS dei Procarioti; classi di ET e relative modalità di trasposizione e abbondanza in vari genomi eucariotici: ET a DNA (es. Ac-Ds) e a RNA o retroelementi, con (retrotrasposoni) o senza LTR (es. Gypsy, Copia, Alu, SINEs, LINEs); effetto degli ET sulle dimensioni e struttura dei genomi eucariotici; amplificazione degli ET tramite crossing-over ineguale intra- e inter-elemento;
• I geni eucariotici: struttura fine e variabilità strutturale (es. numerosità e dimensione degli introni) tra vari taxa; il rimescolamento degli esoni e la creazione di nuovi geni;
• famiglie e super-famiglie geniche: duplicazione genica e divergenza (neo- e sub-funzionalizzazione): esempi della famiglia genica degli istoni, di famiglie di geni di resistenza nelle piante e della super-famiglia delle globine umane.

3. La compartimentalizzazione del genoma: organizzazione a mosaico (isocore) del genoma umano e dei genomi vegetali; regioni “gene-rich” e “gene-poor”; gli ET come principali componenti degli spazi intergenici; confronto tra mappe genetiche e fisiche: distribuzione non-omogenea della ricombinazione lungo il cromosoma eucariotico (“hot” e “cold” spot di ricombinazione e correlazione con la densità genica e la trascrizione).

4. Genomica comparativa:
• Micro e macro sintenia e colinearità intergenomica e interspecifica; il “circle diagram” dei genomi delle Graminacee; livelli di conservazione: cromosomi omeologhi e geni ortologhi;
• Riarrangiamenti cromosomici e interruzione della sintenia e colinearità: evidenze dalla mappatura comparativa e dal sequenziamento comparativo.

5. Evoluzione dei genomi vegetali e meccanismi adattativi, con particolare riferimento alla poliploidia; aggiustamenti rapidi del genoma dopo l’evento di poliploidizzazione: mantenimento o eliminazione dei geni/sequenze duplicati: vari esempi da poliploidi di Triticum neo-sintetizzati; silenziamento genico.

6. Epigenetica ed epigenomica: modificazioni della struttura della cromatina (chromatin remodelling) mediate da metilazione del DNA, metilazione/acetilazione degli istoni, il ruolo di molecole di RNA; cambiamenti epigenetici associati alla poliploidizzazione.

7. Manipolazioni dei genomi vegetali a fini applicativi
• Il significato e gli obiettivi delle manipolazioni ai fini del miglioramento genetico: l’utilizzazione della variabilità genetica al di fuori della specie “target”
• Dalla creazione di anfidiploidi a linee di addizione e sostituzione di singoli cromosomi al trasferimento interspecifico mirato di segmenti cromosomici (ingegneria cromosomica) in specie vegetali di rilevanza agraria: strategie e casi di studio, con particolare riferimento a specie di Triticeae (frumento e specie affini), Solanum spp., Medicago spp., complesso Lolium-Festuca.

Testi consigliati

Capitoli selezionati da:
- Barcaccia & Falcinelli – Genetica e genomica (Liguori ed.), vol. I, II e III;
- Hartwell et al. - Genetica - dall'analisi formale alla genomica, (McGraw-Hill);
- Russell PJ - Genetica: un approccio molecolare (Pearson, 2014)
Materiale didattico (es. diapositive delle lezioni) e articoli scientifici forniti dal docente e reperibili sul sito istituzionale.

Propedeuticità

Conoscenze di Biologia di base e Genetica

Frequenza

Facoltativa

Metodologia didattica

Ore lezione: 40

Descrizione dei metodi di accertamento

Viene normalmente proposta una presentazione PowerPoint relativa a un argomento a scelta dello studente tra quelli trattati nel corso. Nel corso della presentazione, il docente di norma fa alcune domande di approfondimento inerenti ad altri aspetti del programma. Viene attribuito un punteggio da 12 a 20 alla presentazione e da 6 a 10 alle risposte alle domande, tenendo conto del livello di conoscenza dei contenuti, della capacità di analisi, di sintesi e di collegamenti interdisciplinari, della capacità di senso critico e della chiarezza espositiva. Il voto finale corrisponde alla somma dei singoli voti.

Luogo lezioni

Ex Facoltà di Agraria
via San Camillo de Lellis snc
Viterbo

Comunicazioni

Contattare il docente tramite e-mail per concordare un appuntamento.

Programma

a) OBIETTIVI FORMATIVI
Il corso si propone di consolidare e ampliare le conoscenze delle tecniche per lo studio dei genomi delle specie vegetali, fornendo esempi di come tali tecniche possono essere applicate per studi di genomica strutturale e funzionale.

b) RISULTATI DI APPRENDIMENTO ATTESI
CONOSCENZA E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE Aver sviluppato la conoscenza delle tecniche per il sequenziamento di interi genomi e delle strategie di sequenziamento. Conoscenze delle strategie di genetica inversa per lo studio della funzione di geni: mutagenesi, transgenesi, genome editing.
CAPACITÀ DI APPLICARE CONOSCENZA E COMPRENSIONE Avere una comprensione degli approcci sperimentali di genomica discussi a lezione e delle loro applicazioni a problemi specifici.
AUTONOMIA DI GIUDIZIO Essere in grado di interpretare risultati sperimentali di genomica analoghi a quelli discussi a lezione.
CAPACITÀ DI APPRENDIMENTO Essere in grado di descrivere temi scientifici inerenti l’applicazione di studi di genomica strutturale e funzionale.
c) PROGRAMMA
Il programma è diviso in due moduli: 1) Genomica strutturale e 2) Genomica funzionale.
1) GENOMICA STRUTTURALE (6 ore di lezione frontale)
- Metodi di sequenziamento: 1) Sequenziamento di terza generazione: HELICOS (Helicos Biosciences); PacBio (Pacific Biosciences); Nanopore (Oxoford Nanopore); 2) confronto tra sequenziamento di seconda e terza generazione;
- Strategie di sequenziamento di genomi interi: metodo gerarchico e WHOLE GENOME SHOTGUN;
- Annotazione genica;
- Annotazione funzionale;
- Progetti di sequenziamento di interi genomi di specie di interesse agrario.
- Illustrazione dei principali database (NCBI, EMBL, DDBJ), ricerche in banche dati biologiche (BLAST), software per l’allineamento di sequenze e per il disegno di oligonucleotidi;
2) GENOMICA FUNZIONALE (12 ore di lezione frontale)
- Analisi dell’espressione di singoli geni (sonde TaqMan, LUX, Molecular Beacons e Scorpions) e su vasta scala (microarray e RNAseq).
Trasformazione genetica di specie coltivate. Trasformazione mediata da Agrobacterium o mediante metodo biolistico. Preparazione dei vettori plasmidici.
- Studio della funzione genica in specie modello e di interesse agrario: sovraespressione e knock-out genico (RNA antisenso, RNA interference) in piante transgeniche;
- Preparazione di costrutti per l'ottenimento di piante cis-geniche.
- Mutagenesi chimica e TILLING; mutagenesi fisica con fasci di ioni e neutroni accelerati; mutagenesi inserzionale: T-DNA e trasposoni;
- Applicazione della mutagenesi per studi funzionali e in programmi di miglioramento genetico.
- Modificazioni geniche sito-specifiche. Metodi di “genome editing”: 1) nucleasi a dita di zinco (ZFN), 2) transcription activator-like effector nucleases (TALENs) e 3) brevi ripetizioni palindromiche interspaziate, regolarmente raggruppate (CRISPR/Cas)
- Applicazione di metodi "genome editing" per il miglioramento genetico di specie di interesse agrario.

Le esercitazioni verranno svolte in aula o in laboratorio e verteranno sulle seguenti tematiche:
1) Ricerca in banche dati di sequenze nucleotidiche e proteiche. Utilizzo di tool bioinformatici per aprire file di sequenze (DNAMAN, FINCH TV, GENEIOUS). Utilizzo dell'algoritmo BLAST per cercare nei database sequenze nucleotidiche o proteiche simili ad una sequenza nota. Allineamento di sequenze nucleotiche e ammino acidiche mediante i programmi CLUSTAL OMEGA e GENEIOUS. Costruzione di alberi filogenetici. (4 h)
2) Identificazione di mutazioni di tipo SNP su geni di interesse mediante approccio TILLING in frumento duro. (4 h)
3) Preparazione di costrutti per la trasformazione genetica mediante approccio cis-genico: inserimento della cassetta di trasformazione in un vettore batterico; trasformazione di cellule batteriche; estrazione e digestione con enzimi di restrizione del plasmide ricombinante. (6 h)

Testi consigliati

GENETICA un approccio molecolare. Quarta edizione Peter J. Russell Edizione italiana a cura di Carla Cicchini e Alessandra Marchetti ISBN:9788865186176

Biotecnologie e Genomica delle Piante. Rosa Rao e Antonietta Leone. Casa editrice IDELSON-GNOCCHI.

Presentazioni Power Point e materiale fornito dal docente.

Propedeuticità

Nessuna

Frequenza

Facoltativa

Metodologia didattica

Ore lezione: 32

Descrizione dei metodi di accertamento

L'esame sarà sostenuto in forma orale. Per il superamento dell'esame il candidato dovrà dimostrare di avere acquisito conoscenze avanzate nel settore della genomica strutturale e funzionale applicata, in particolare, allo studio di piante di interesse agrario. Al candidato verranno chiesti tre argomenti del programma, ognuno dei quali sarà valutato con un punteggio da 0 a 10. Il voto finale corrisponderà alla somma delle tre singole votazioni.
Verranno accertati il livello di conoscenza degli argomenti trattati (insufficiente, superficiale, appropriato, preciso e completo, completo e approfondito), le capacità di analisi, di sintesi, di senso critico e di collegamenti interdisciplinari (insufficienti, sufficienti, buone, ottime, eccellenti), la padronanza di espressione (insufficiente, sufficiente, buona, ottima, eccellente).

Luogo lezioni

Ex Facoltà di Agraria
via San Camillo de Lellis snc
Viterbo

Comunicazioni

Contattare il docente all'indirizzo e-mail francescosestili@unitus.it per prendere appuntamento