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Oggetto:
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Biotecnologie genetiche

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GENETIC BIOTECHNOLOGY

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Anno accademico 2020/2021

Codice attività didattica
INT0520
Docenti
Prof. Roberto Botta (Affidamento interno)
Prof. Daniela Torello Marinoni (Affidamento interno)
Dott. Andrea Moglia (Affidamento interno)
Corso di studio
[056502] BIOTECNOLOGIE VEGETALI
Anno
1° anno
Tipologia
B - Caratterizzante
Crediti/Valenza
12
SSD attività didattica
AGR/03 - arboricoltura generale e coltivazioni arboree
AGR/07 - genetica agraria
Erogazione
Mista/Blended
Lingua
Italiano
Frequenza
Facoltativa
Tipologia esame
Scritto più orale obbligatorio
Tipologia unità didattica
corso
Prerequisiti
Conoscenze di biologia vegetale, botanica, genetica, biochimica
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Sommario del corso

Oggetto:

Obiettivi formativi

Il C.I. contribuisce alla formazione degli studenti nell'Area Biotecnologica del CdS fornendo conoscenze all'avanguardia e competenze su: tecniche di coltura in vitro; metodiche di trasformazione genetica vegetale; principali obiettivi e applicazioni della biotecnologie con particolare riferimento al miglioramento genetico e allo studio delle specie vegetali di interesse agroindustriale; metodiche di analisi sperimentale per la tracciabilità di OGM nelle filiere produttive e aspetti normativi legati all'immissione di OGM.

 

The Integrated Course contributes to the training of students in the Biotechnology Area of ​​the CdS providing knowledge and skills on: in vitro culture techniques; methods of plant genetic transformation; main objectives and applications of biotechnologies with particular reference to genetic improvement and the study of plant species of agro-industrial interest; methods of experimental analysis for the traceability of GMOs in production chains and regulatory aspects related to the introduction of GMOs.

Oggetto:

Risultati dell'apprendimento attesi

CONOSCENZA E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE

Modulo: Trasformazione Genetica

Alla fine del corso lo studente avrà acquisito conoscenze relative a:

- tecnologie e metodiche utilizzate per la trasformazione genetica;

- principali obiettivi e applicazioni della trasformazione genetica vegetale;

- diffusione OGM a livello globale;

- metodiche di analisi sperimentale per la tracciabilità di OGM nelle filiere produttive;

- aspetti normativi legati all'immissione di OGM.

 

Modulo: Aspetti Applicativi delle Biotecnologie vegetali

Alla fine dell'insegnamento lo studente avrà acquisito conoscenze relative agli aspetti applicativi delle biotecnologie che interessano piante di interesse agroalimentare ed industriale, in particolare:

  • le principali tecniche di coltura in vitro
  • gli impieghi dei marcatori molecolari nel breeding e per la genotipizzazione
  • gli obiettivi del miglioramento genetico per caratteri di interesse agronomico, tecnologico ed industriale con particolare rifeirmento alle specie arboree da frutto
  • le basi genetiche dei caratteri di interesse e le strategie applicabili per migliorarli

 

CAPACITÀ DI APPLICARE CONOSCENZA E COMPRENSIONE

Alla fine dell'insegnamento gli studenti saranno in grado di:

-progettare la costruzione di un vettore per la trasformazione genetica vegetale;

-applicare adeguati protocolli per condurre la trasformazione genetica vegetale.

-applicare le conoscenze e le metodologie acquisite per il miglioramento genetico delle specie vegetali

AUTONOMIA DI GIUDIZIO

Alla fine dell'insegnamento gli studenti saranno in grado di valutare e scegliere le strategie idonee per condurre la trasformazione genetica vegetale sulla base dell'obiettivo della trasformazione e del materiale vegetale di partenza. Inoltre, saranno in grado di valutare la strategia più adatta da applicare per il miglioramento genetico delle specie vegetali.

ABILITÀ COMUNICATIVE

Alla fine dell'insegnamento gli studenti saranno in grado di utilizzare la terminologia tecnico-scientifica in modo adeguato.  Inoltre attraverso la presentazione di lavori di gruppo, finalizzati alla formulazione di un progetto di ricerca, saranno verificate non solo le abilità comunicative, linguistiche ma anche le capacità di progettazione /pianificazione di attività sperimentali a scopo di ricerca.

CAPACITÀ DI APPRENDIMENTO

Alla fine dell'insegnamento gli studenti saranno in grado di distinguere l'efficacia delle tecnologie e metodiche trattate, e di reperire e comprendere le informazioni, anche mediante articoli scientifici per un apprendimento sempre più autonomo basato sulla discussione critica e la partecipazione interattiva.

KNOWLEDGE AND UNDERSTANDING

Modulo: Genetic transformation of plants

At the end of the course, students will know the following topics:

-technologies and methodologies of plant genetic transformation;

 -goal and application of plant transformation;

-the current status of transgenic crops;

 -GMO detection and traceability in the food chain;

-the regulation of GM crops and products.

 

Module: Applied plant biotechnologies

At the end of the course the student will know the main aspects related to the application of biotechnologies to plants of agri-food and industrial interest, including:
- the main in vitro culture techniques
- the uses of molecular markers in breeding and genotyping
- the objectives of genetic improvement for characters of agronomic, technological and industrial interest with particular reference to tree species
- the genetic bases of the traits of interest and the applicable strategies to improve them

APPLYING KNOWLEDGE AND UNDERSTANDING
At the end of the course students will be able to:

-design a vector for plant genetic transformation;
-apply appropriate protocols to carry out plant genetic transformation.

- apply the knowledge and methodologies acquired for the genetic improvement of plants  

MAKING JUDGEMENTS

At the end of the course, students will be able to choose the appropriate technologies to conduct plant genetic transformation on the basis of objectives and plant explants, and to evaluate the most suitable strategy for the genetic improvement of the plant species

COMMUNICATION SKILLS

At the end of the course, students will be able to use the technical language and to support topics related to the application of plant biotechnologies. Moreover, the presentation of group works, aimed to the writing of research projects, will be carried out to improve communication skill.

LEARNING SKILLS
At the end of the course, students will be able to distinguish the efficacy of the different technologies, and to find and understand information through scientific articles with an increasingly autonomous learning, based on critical discussion and interactive participation.

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Programma

Il corso integrato fa interamente riferimento all'Area Formativa Biotecnologica.

Modulo: Trasformazione Genetica

Lezioni teoriche:

-Trasformazione genetica mediata da Agrobacterium tumefaciens: descrizione del batterio, caratteristiche del plasmide Ti e dei geni VIR, meccanismo di trasferimento del T-DNA da Agrobacterium.

-Tecniche di trasformazione vegetale mediante metodi diretti: biolistica, mediata da Polyethilene-glicole, elettroporazione, Silicon carbide fibres, Bioactive beads, microiniezione.

-Costruzione di vettori per la trasformazione genetica: caratteristiche generali, tipologie (vettore cointegrativo/binario), preparazione, sviluppo ed ottimizzazione.

-Protocolli di trasformazione genetica: co-coltura, agroinfiltrazione, floral dip.

-Trasformazione cloroplastica.

-Definizione e ottenimento di piante cisgeniche e intrageniche.

-Silenziamento genico mediato da virus (VIGS): caratteristiche dei vettori per il VIGS ed esempi di applicazioni.

-Ottenimento di piante marker free: utilizzo di geni marcatori alternativi ad antibiotici/erbicidi, Co-trasformazione, Multi autotransformation,  sistema di ricombinazione cre/lox, sistema di ricombinazione FLP/FRTAC/DS transposon system.

-New Plant Breeding technologies: Reverse Breeding, Grafting on GM rootstock, Oligonucleotide directed mutagenesis, Target genome editing (Zinc Finger Nucleases, Talen, Homing Endonucleases, Engineered CRISPR-Cas system).

-Situazione attuale delle coltivazioni di varietà GM nel mondo.

-Obiettivi e applicazioni della trasformazione genetica:

  • Tolleranza ad erbicidi: modificazione genetica per tolleranza al glifosate, glufosinate, inibitori acetolattato sintasi. Principali eventi GM per tolleranza ad erbicidi. Rischio di formazione delle super weeds e strategie di prevenzione.
  • Resistenza ad insetti: struttura, funzione e meccanismo di azione delle cry proteins. Piante geneticamente modificate per la resistenza a insetti basati sull'utilizzo dei geni Cry e altri geni insetticidi.
  • Tolleranza a stress abiotici: strategie di ingegneria genetica basato sull'uso di sostanze osmoprotettive, modificazione genetica per la tolleranza allo stress salino, da freddo e da calore. Esempi di piante GM per la tolleranza allo stress idrico.
  • Miglioramento di caratteri agronomici: intervento sulla maturazione del frutto e sulla riduzione di composti tossici (es. acrilamide).
  • Plant biofortification: modificazione del contenuto di provitamina A, arricchimento nel contenuto di amminoacidi, folati, ferro e zinco, metaboliti secondari mediante strategie di ingegeneria genetica.
  • Plant molecular farming: produzione di composti ad uso medico /farmaceutico/ industriale. Modificazione della via biosintetica dell'amido e degli acidi grassi. Utilizzo di piante GM per la produzione di bioplastiche e di biofuels. Piante GM per la produzione di proteine farmaceutiche, enzimi ad uso industriale, anticorpi e vaccini in pianta.

-Analisi di laboratorio per il rilevamento di OGM. Norme per l'etichettatura. Tracciabilità nelle filiere produttive di OGM. Tecniche per l'identificazione, rilevamento e quantificazione di OGM.

-Normativa sulla sperimentazione, coltivazione e commercializzazione di varietà vegetali GM.

-Valutazione dei rischi per la salute delle varietà GM rispetto alle colture tradizionali.

Esercitazioni di laboratorio:

messa a punto di vettori per la trasformazione genetica mediante clonaggio Golden Braid, trasformazione genetica transiente in N. benthamiana e stabile in pomodoro.

Modulo: Aspetti Applicativi delle Biotecnologie vegetali

Lezioni teoriche

Introduzione alla materia: principali applicazioni, sviluppi e prospettive delle biotecnologie per le specie arboree da frutto.

Le tecniche di coltura in vitro: principi generali, micropropagazione, morfogenesi in vitro, coltura di protoplasti, fusione somatica, ottenimento di aploidi. Interesse applicativo di queste tecniche. La trasformazione genetica nelle piante arboree da frutto, sintesi delle tecniche.

Applicazioni biotecnologiche dei marcatori molecolari: caratterizzazione genetica di cultivar, specie e cloni; riconoscimento varietale e delle produzioni; realizzazione di mappe; selezione assistita con marcatori (MAS).

Basi genetiche e modificazioni dell'habitus vegeto-produttivo della pianta; interventi per modificare le dimensioni della pianta e la rizogenesi. Interventi per modificare il contenuto in lignina per le applicazioni industriali del legno. 

Conoscenze genetiche sui meccanismi che portano alla fioritura e alla fruttificazione ed interventi che permettono il superamento della giovanilità e delle barriere di autoincompatibilità fiorale.

Strategie per favorire l'assorbimento e la traslocazione degli elementi minerali per la migliore utilizzazione delle risorse minerali e la biofortificazione. Modificazioni genetiche del sistema fotosintetico C3 e dei meccanismi di traslocazione ed accumulo dei fotosintetati per aumentare la produttività delle colture.

Basi genetiche della qualità e modificazioni per migliorare le caratteristiche del frutto per quanto riguarda: profilo aromatico, colore e sostanze di interesse nutraceutico, tessitura, contenuto in acidi organici e zuccheri, apirenia, imbrunimento ossidativo. Interventi per variare l'andamento della maturazione del frutto: riduzione e soppressione della sintesi di etilene.

Allergeni vegetali e prospettive per la loro eliminazione tramite l'ingegneria genetica.

Esercitazioni di laboratorio: analisi al sequenziatore semiautomatico con elaborazione dei dati.

 

The course topics fall entirely within the Biotechnologic Educational Area.

Modulo: Genetic transformation of plants

Lectures:

-Plant genetic transformation mediated by Agrobacterium tumefaciens: description of bacterium, features of Ti plasmid and vir genes, transfer mechanism of T-DNA from Agrobacterium.

-Direct-gene transfer: biolistic method, Polyethilene-glicole mediated, electroporation, Silicon carbide fibres, Bio-active beads, microinjection.

-Vectors for plant transformation: features, types (co-integrative vs binary), setting up, development and optimization.

-Protocols for plant genetic transformation: co-colture, agroinfiltration, floral dip.

-Chloroplast transformation

-Cisgenic and Intragenic plants

-Virus Induced gene silencing (VIGS)

-Marker free plants: marker genes alternatives to antibiotics/herbicides, Co-transformation, Multi autotransformation,  recombination system cre/lox, recombination system FLP/FRTAC/DS transposon system.

-New Plant Breeding technologies: Reverse Breeding, Grafting on GM rootstock, Oligonucleotide directed mutagenesis, Target genome editing (Zinc Finger Nucleases, Talen, Homing Endonucleases, Engineered CRISPR-Cas system).

-The current status of transgenic crops.

 -Goal and application of plant transformation:

  • Herbicides tolerance: glyphosate, glufosinate, inhibitor of acetolactate synthase. Main examples of GM plants tolerant to herbicides. Risk of super weeds formation and prevention mechanism.
  • Pest resistance: structure, function and mechanism of action of cry proteins. Genetically modified plants based on the use of cry protein and other genes.
  • Abiotic stress tolerance: engineering strategies based on the use of osmoprotectant, and to give tolerance to salt, cold and heath shock stresses. Examples of GM plants for drought tolerance.
  • Agronomic trait improvement: ripening modification and reduction of toxic compounds (e.g. acrylamide).
  • Plant biofortification: modification of provitamin A content, enrichment in the content of aminoacids, iron and zinc, folic acid and secondary metabolites.
  • Plant molecular farming: production of pharmaceutically relevant and industrial relevant   compounds. Modification of starch and fatty acids pathway. GM plants for biofuels and bioplastic production.  Production of pharmaceuticals proteins, industrial enzymes, antibody and vaccines in GM plant.

 -GMO detection and traceability in the food chain.

-The regulation of GM crops and products.

-Evaluation of the risk for human of GM crops as compared to conventional crops.

Practical training:

-preparation of plant genetic transformation vector through Golden Braid  technology and setting up of transient transformation of  N. benthamiana and stable transformation in tomato.

Module: Applied plant biotechnologies

Lectures:

Main applications, developments and perspectives of biotechnologies of fruit crops.

In vitro techniques and gene transfer in fruit tree species. Micropropagation, ovule and protoplast culture, somatic hybridization, obtaining aploids, morphogenesis (organogenesis, somatic embryogenesis).

Applications and uses of molecular markers: genetic characterization of cultivars, species, clones; cultivar and crop identification; linkage map construction; marker assisted selection (MAS).

Genetic bases and modifications of the vegetative and productive tree habit; interventions and studies for overcoming self-incompatibility and juvenility and for changing tree habit and rooting ability. Modifications of the lignin content for industrial applications.

Strategies for improving the uptake and translocation of mineral elements for an optimal use of mineral resources in soil and for biofortification. Genetic engineering of the photosintetic system C3 and of mechanisms of translocation and storage of photosynthates to increase crop yield. 

Genetic bases of quality and modifications for improving fruit and nut quality traits: aroma, flesh texture and softening, organic acids and sugar content, colour and antioxidant properties, browning aptitude, seedlessness. Genetic bases and modifications for controlling the ethylene methabolism and the ripening process.

Allergenes in plants and perspectives of their elimination in food by genetic engineering.

Practictical training: molecular markers analyses using a semi-authomated capillary sequencer followed by data analysis

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Modalità di insegnamento

Ciascun modulo consiste di 48-50 ore di lezioni  e 10-12 ore dedicate ad attività di laboratorio/visite tecniche/lavori di gruppo. Per le lezioni frontali il docente si avvale di slide che saranno messe a disposizione degli studenti alla fine della lezione sulla pagina Moodle del corso.

Le modalità didattiche potranno variare in relazione alle condizioni operative conseguenti all'emergenza sanitaria. In ogni caso le lezioni verranno rese disponibili in forma di audiovideo (diapositive dotate di commento vocale) in streaming sulla piattaforma Moodle. Per accedere è necessario iscriveri all'insegnamento su Campusnet. Da Campusnet accedere a Moodle tramite l'icona "Vai a Moodle". I docenti sono disponibili per qualsiasi chiarimento via e-mail, telefono o webex.

Each module of the Course consists of 48-50 hours of lectures and 10-12 hours devoted to laboratory, technical visits and group work. For lectures the teacher makes use of slides that will be available to the students at the end of the lessons at the web page of the course.

Please note that teaching methods may vary due to sanitary emergency. In any case, lessons will be available in the form of audio video (slides with vocal commentary) in streaming on the Moodle platform. To access Moodle, it is necessary to enroll in the course on Campusnet. From Campusnet, access Moodle through the "Go to Moodle" access. The teacher is available for any clarification by e-mail, telephone or webex.

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Modalità di verifica dell'apprendimento

L'apprendimento sarà verificato in classe attraverso  domande volte a valutare il grado di comprensione degli argomenti trattati. Le capacità di applicare conoscenza e comprensione e le abilità comunicative verranno sviluppate e verificate attraverso la presentazione di lavori di gruppo.

Per il modulo di Trasformazione genetica l'esame finale è scritto e consiste in 8 domande aperte sull'intero programma svolto (per un totale di 25 punti) e 12 domande a risposta multipla, per un totale di 6 punti. ll punteggio finale sarà dato dalla somma dei punteggi parziali. Non è prevista una prova orale. La durata della prova scritta è di 2 ore.

Per il modulo di Aspetti applicativi delle Biotecnologie vegetali l'esame è orale e prevede in linea di massima 3 domande su argomenti diversi; il docente potrà fare ulteriori domande qualora questo fosse necessario per la miglior valutazione della preparazione dello studente. Ogni domanda avrà uguale peso ai fini della formazione del voto finale.

Learning is verified  during the lesson  through questions aimed to verify student's comprehension. The applying knowledge and the communication skills will be developed and evaluated by the presentation of group works.

For the module of Genetic Transformation the final exam is a written exam composed of 8 open-ended questions (for a total of 25 points) and 12 multiple-choice questions (for a total of 6 points) that covers the whole  program carried out.The final score will be given by the sum of the partial scores. No oral test is scheduled. The duration of the written test is 2 hours

For the module of Applied Plant Biotechnologies the exam is an oral test. As a general rule the exam is based on 3 questions on different topics; the teacher may ask further questions in case this is considered necessary for the most appropriate evaluation of the student. Each question will have the same weight for the attribution of the final mark.

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Testi consigliati e bibliografia

Articoli e materiale fornito dai docenti

Testi di approfondimento

Modulo: Trasformazione Genetica

Slater A., Scott N., Fowler M.-Plant Biotechnology: The genetic manipulation of plants. 2008. Oxf. Univ.Press.

Altman A., Hasegawa P.M. Plant Biotechnology and Agriculture 2012 Academic Press

Modulo: Aspetti Applicativi delle Biotecnologie vegetali

Rao R. Leone A., 2014. Biotecnologie e genomica delle piante.  Idelson-Gnocchi

Trigiano, Gray, 2010 Plant Tissue Culture, Development and Biotechnology  CRC

Altman A., Hasegawa P.M. 2012. Plant biotechnology and Agriculture. Academic Press

Papers and material provided by the teachers

Textbooks for further in-depth reading

Modulo: Genetic transformation of plants

Altman A., Hasegawa P.M. Plant Biotechnology and Agriculture 2012 Academic Press

Slater A., Scott N., Fowler M.-Plant Biotechnology: The genetic manipulation of plants. 2008. Oxf. Univ.Press.

Module: Applied plant biotechnologies

Rao R. Leone A., 2014. Biotecnologie e genomica delle piante.  Idelson-Gnocchi

Trigiano, Gray, 2010 Plant Tissue Culture, Development and Biotechnology  CRC

Altman A., Hasegawa P.M. 2012. Plant biotechnology and Agriculture. Academic Press

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Note

Le modalità di svolgimento dell'attività didattica potranno subire variazioni in base alle limitazioni imposte dalla crisi sanitaria in corso. In ogni caso è assicurata la modalità a distanza per tutto l'anno accademico.

 

The teaching methods and activities may vary due to limitations imposed by the current sanitary emergency. In any case, e-learning mode is ensured throughout the academic year.

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Moduli didattici

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  • Aperta
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    Ultimo aggiornamento: 02/07/2020 16:19
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