RICERCA ITALIANA     

Da Arabidopsis a pomodoro: una rete scientifica e una piattaforma tecnologica per la genomica funzionale dello sviluppo vegetale.

Università degli Studi di Roma "La Sapienza"

Abstract

La proposta intende analizzare con un approccio di genomica funzionale alcuni degli aspetti regolativi dello sviluppo di Arabidopsis e pomodoro in relazione all'ambiente, attraverso l'analisi della funzione e delle interazioni di membri di diverse famiglie di geni regolativi e strutturali su cui le diverse Unità di Ricerca (UR) previste hanno accumulato individualmente negli ultimi anni competenze e risultati di assoluto valore internazionale.
I geni oggetto di studio delle diverse UR permettono di focalizzare l'interesse della proposta sullo
- sviluppo vegetativo della parte aerea e
- sviluppo riproduttivo della pianta.
Il trasferimento da Arabidopsis a pomodoro di risultati già ottenuti da alcune delle UR su questi aspetti dello sviluppo consente l'implementazione, come parte integrante della proposta e identificati come Workpackage indipendenti, di obiettivi applicativi su
- architettura della pianta e
- qualità alimentare.
Le conoscenze ottenute nel corso dello svolgimento della ricerca proposta permetteranno di elaborare ulteriori obiettivi scientifici e applicativi più a lungo termine.

Scopo della proposta è di acquisire informazione non solo sulla funzione di singoli geni coinvolti nei diversi processi di sviluppo analizzati, ma di mettere in evidenza network regolativi e interazioni tra i diversi geni e i diversi processi.
Negli ultimi anni è risultato infatti sempre più evidente che i singoli geni degli organismi complessi influenzano più di un processo biologico e che una reale comprensione dei fenomeni di sviluppo può derivare solo da approcci di genomica funzionale.
I geni presi in considerazione dalla proposta sono:
- geni della famiglia Dof (UR Costantino) coinvolti nella formazione dei meristemi in risposta all'auxina, nel controllo della germinazione del seme e risposta alle gibberelline, e nella risposta da stress;
- geni della famiglia rol (UR Costantino), che influenzano la formazione di meristemi, la transizione fiorale del meristema e la formazione degli organi sessuali;
- geni della famiglia HD-ZIP coinvolti nella regolazione dell'attività dei meristemi primari e secondari (UR Morelli) e nei processi di sviluppo e crescita in risposta all'ambiente, in particolare rispetto alla fuga dall'ombra (UR Ruberti);
- geni della famiglia MYB (UR Tonelli) coinvolti nella morfogenesi, nella risposta da stress e nella biosintesi di polimeri di interesse alimentare;
- geni della famiglia NF-Y (UR Tonelli) considerati fattori cruciali nello sviluppo e differenziamento degli eucarioti e che interagiscono con diverse famiglie di fattori di trascrizione;
- geni delle famiglie MADS (UR Colombo) coinvolti nello sviluppo sia vegetativo che riproduttivo della pianta, e HMG e TAF (UR Colombo) riconosciuti come importanti fattori di modulazione del processo di trascrizione;
- geni implicati nella risposta alla luce rossa (PHY, UR Bowler), alla luce blu (CRY, UR Bowler, UR Benvenuto) e nella formazione del signalosoma (DET, UR Bowler);
- geni coinvolti nella biosintesi dei carotenoidi (UR Benvenuto, UR Cellini), importanti per le funzioni fotosintetiche e per la qualità alimentare;
- proteine implicate nella risposta a patogeni e nello sviluppo (PG, PGIP, UR Cervone)
- le proteine 14-3-3 (UR Aducci) implicate nel controllo del ciclo cellulare, nel differenziamento e in molteplici vie di trasduzione di segnali cellulari.
La proposta prevede di integrare e coordinare le diverse linee di ricerca delle UR, mettere a punto nuove tecnologie post-genomiche ed estendere a tutti i laboratori partecipanti tecnologie già esistenti presso singole UR.
Saranno così costituite una RETE SCIENTIFICA e una PIATTAFORMA TECNOLOGICA per la genomica funzionale vegetale.
Qesta rete e questa piattaforma trarrebbero enorme vantaggio dall'interazione con un network nazionale di bioinformatica come quello previsto nella proposta coordinata da Cecilia Saccone (‘Bionformatica per la genomica e proteomica').
Saranno sviluppate e utilizzate da questa rete tecnologie per l'analisi funzionale dei geni (‘RNA interference', dominanti negativi e positivi, ‘chemical gene-machine/TILLING'), tecnologie per l'analisi dell'espressione genica tra i geni (costruzione e l'analisi di macro- e micro-arrays di Arabidopsis, validazione di chips di pomodoro, real-time PCR) e tecnologie per identificare partners e target regolativi (‘Surface Plasmon Resonance', ‘two hybrid' in lievito in piante, librerie fagiche per anticorpi). Alcune di queste tecnologie (e.g. il ‘TILLING') potranno essere utilizzate direttamente in Italia per mezzo di sistemi di automatizzazione e robotizzazione di analisi, in sinergia con la proposta ‘Sistemi di diagnostica molecolare per l'identificazione e l'analisi di determinanti genetici di rilevanza per l'agroindustria, la zootecnica e l'ambiente' coordinata da Francesco Salamini.

Questo insieme di approcci tecnologici consentirà un'analisi genomica funzionale dei diversi processi in cui sono coinvolti i diversi geni in esame e permetterà di stabilire possibili nessi e definire interazioni tra questi diversi geni e diversi processi.

La proposta presenta quindi:
- un forte contenuto di ricerca di base di alto livello sulla funzione di geni di interesse delle UR partecipanti,
- una precisa connotazione applicativa negli obiettivi sull'architettura della pianta e sulla qualità alimentare,
- la finalità di sviluppare sinergisticamente tecnologie e competenze,
- l'opportunità di inserimento di ricercatori italiani altamente qualificati operanti attualmente nall'estero,
con lo scopo di costituire una rete scientifico-tecnologica e di formazione e una piattaforma tecnologica per la genomica funzionale vegetale in Italia. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

PAOLO COSTANTINO, Universita' degli Studi di ROMA "La Sapienza"

Obiettivo del Finanziamento

Questa proposta intende analizzare a livello post-genomico la regolazione di due importanti aspetti dello sviluppo delle piante, di cruciale interesse per l'agricoltura e l'industria agro-alimentare italiana:
- sviluppo vegetativo della parte aerea,
- sviluppo riproduttivo,
anche in funzione della risposta all'ambiente e focalizzando l'analisi su due specie vegetali:
- Arabidopsis, come pianta modello;
- Il pomodoro, una pianta tipicamente italiana, ben caratterizzata e di grande interesse industriale, importante anche come specie ponte per altre solanacee di interesse nazionale.
Obiettivo primario della proposta è anche di sviluppare una rete di tecnologie, di competenze e di formazione indispensabile per lo sviluppo della biologia vegetale in Italia e per il trasferimento tecnologico dei risultati della ricerca.

La proposta si articola in una serie di

OBIETTIVI SCIENTIFICI:
- Definizione della funzione e dell'interazione di membri di diverse famiglie di geni regolativi (MYB, NF-Y, MADS, rol, DOF, HD-Zip, 14.3.3, PGIP) e strutturali (PHY, CRY, DET, PG), attualmente oggetto di studio da parte dei partecipanti, nello sviluppo aereo della pianta;
- Definizione della funzione e dell'interazione di membri di queste famiglie geniche nella regolazione dello sviluppo riproduttivo della pianta.

Per contribuire a raggiungere questi obiettivi scientifici saranno inoltre perseguiti i seguenti

OBIETTIVI TECNOLOGICI:
- sviluppo e implementazione di tecnologie post-genomiche per l'analisi della funzione genica:
RNA interference;
dominanti negativi e positivi;
chemical gene-machine (tilling);
- implementazione di tecnologie post-genomiche per l'analisi dell'interazione tra geni:
macroarrays e microchips di Arabidopsis;
validazione di chips di pomodoro;
real-time PCR;
- utilizzazione di tecnologie sviluppate da alcune UO per identificare partners e target regolativi:
‘Surface Plasmon Resonance';
‘two hybrid' in lievito e piante;
librerie fagiche per ottenere anticorpi.

Le conoscenze e le risorse già accumulate dalle UO sui diversi geni in Arabidopsis e pomodoro, consentono di perseguire già da ora almeno due

OBIETTIVI APPLICATIVI:
- modifica dell'architettura della pianta,
- miglioramento della qualità nutrizionale e ‘biofarming'.

Data la natura degli obiettivi scientifici e tecnologici di questa proposta e sulla base delle conoscenze realisticamente ottenibili nel corso dello svolgimento della ricerca, sarà possibile elaborare ulteriori obiettivi applicativi più a lungo termine.
Lo sviluppo e l'utilizzazione delle tecnologie previste in questa proposta potrà costituire in futuro la base per un'offerta più generalizzata di servizi tecnologici alla comunità scientifica italiana. Nel corso della ricerca proposta saranno inoltre create nuove risorse (e.g. funzione di geni noti, nuovi geni) e nuovi reagenti (e.g. promotori e sonde specifici) che potranno poi essere utilizzati da laboratori e aziende italiane per progetti di interesse specifico.

La costituzione della rete di laboratori prevista in questa proposta consentirà anche di raggiungere un OBIETTIVO DI FORMAZIONE professionale - in particolare diretto verso il sud del paese, data la localizzazione di due delle UO e la prevista partecipazione della costituenda rete a un progetto PON (2001-2006) focalizzto sull'alta formazionedi personale tecnico-scientifico - attraverso ‘stages' di personale coinvolto nel progetto per acquisire competenze nelle diverse tecnologie messe a punto e utilizzate dai diversi partners e attraverso l'organizzazione di workshops su specifici aspetti tecnologici e scientifici del progetto.
Per accrescere le competenze nel settore della genomica funzionale vegetale, verranno attivati 4 contratti triennali per ricercatori italiani (già individuati e di altissima qualificazione) attualmente impegnati all'estero in alcuni dei migliori laboratori di ricerca sui temi di questa proposta.

- Perché Arabidopsis
I processi fondamentali della vita di una pianta sono controllati essenzialmente dagli stessi geni in tutte le piante. Per identificare la funzione dei geni è quindi indispensabile concentrare sforzi e risorse su una sola pianta da utilizzare come modello. La pianta oggi universalmente utilizzata come modello è Arabidopsis, di cui sono disponibili, oltre all'intera sequenza genomica, innumerevoli strumenti e risorse genetiche e molecolari, come collezioni di mutanti microarrays e microchips etc.
Arabidopsis è quindi oggi la pianta che meglio si presta ad una analisi a livello post-genomico. La ricerca su questa pianta modello deve essere vista non solo e non tanto come base conoscitiva ma piuttosto come origine diretta di applicazioni biotecnologiche: Arabidopsis è considerata oggi la fonte di geni anche per le piante di interesse agronomico. Il trasferimento di conoscenze da Arabidopsis a pomodoro consentirà uno sviluppo di prodotti biotecnologici assai più rapido ed efficiente di quello ottenuto nel passato.
In Italia esistono importanti competenze su Arabidopsis competitive a livello internazionale, tutte presenti in questa proposta, che mancano però oggi del coordinamento, delle infrastrutture e delle piattaforme tecnologiche comuni necessari per il raggiungimento di obiettivi di vasto respiro.

- Perché pomodoro
Al livello mondiale, il pomodoro è uno dei piu importanti ortaggi in termini economici. In particolare, l'Italia è il principale paese europeo per la coltivazione e la trasformazione del pomodoro, ed esiste una lunga tradizione per il suo utilizzo nella dieta mediterranea. Per il pomodoro sono già disponibili numerose risorse per la ricerca post-genomica. Un consorzio finanziato dalla National Science Foundation negli Stati Uniti ha generato 150,000 EST e alla fine del 2002 un microchip contenente 10,000 EST non-ridondanti sarà disponibile a basso costo per la comunità scientifica. Sono inoltre disponibili banche di mutanti (K. Theres, colonia, D) costruite in collaborazio con una delle UR di questa proposta (Metaponto Agrobios). Il pomodoro è facilmente trasformabile tramite Agrobacterium, e sono disponibili tecniche per inibire l'espressione di geni specifici attraverso ‘post transcriptional gene silencing' (ad es. RNA interference). Inoltre, mappe molecolari ad alta risoluzione basate su RFLP ed AFLP permettono la mappatura di nuove mutazioni in tempi relativamente brevi. Nonostante il genoma di pomodoro sia di circa 900 Mb, un consorzio internazionale per il suo sequenziamento, che comprende alcune UO che partecipano a questa proposta, è in fase di formazione. Inoltre, il pomodoro è utilizzato come specie modello (‘bridging species') per la famiglia delle Solanaceae, che comprende specie di importanza economiche quale la patata, la melanzana, il tabacco, e i peperoni, che hanno genomi molto piu grandi.
Il pomodoro quindi offre sia un ottimo sistema per la ricerca post-genomica che la possibilità di applicare i risultati ottenuti per la creazione di nuove varietà di interesse commerciale.

- Perché i temi di ricerca indicati
In Italia esistono le migliori competenze di assoluto livello internazionale e approcci tecnologici avanzati, tutti riuniti in questa proposta, in particolare sullo studio di geni che controllano lo sviluppo. Su questi aspetti della biologia delle piante è possibile oggi in Italia, coordinando le competenze esistenti e creando le necessarie sinergie scientifiche e tecnologiche, sfruttare le potenzialità dell'approccio post-genomico per chiarirne le basi molecolari e per il trasferimento dei risultati ad applicazioni biotecnologiche.

- Perché un approccio di genomica funzionale
Negli ultimi 25 anni, lo sviluppo delle tecnologie genetico-molecolari ha permesso in molti casi di comprendere la funzione di singoli geni nell'ambito di alcuni processi biologici. E' risultato però sempre più evidente che i singoli geni degli organismi complessi (e in particolare di organismi plastici come le piante) influenzano più di un processo biologico. Oggi, per un numero per ora limitato di organismi, tra cui Arabidopsis, le informazioni sulle sequenze genomiche e la disponibilità di strumenti e risorse genetiche permette di affrontare l'analisi funzionale dei geni a un livello più integrato, di mettere cioè in evidenza network regolativi e di interazione tra geni coinvolti in processi diversi.
Alcune UO di questa proposta sono le sole in Italia già coinvolte in avanzati progetti nazionali ed europei di genomica funzionale. La ricerca proposta consentirà di integrare ed estendere questi progetti focalizzando gli sforzi dei proponenti sui processi di sviluppo.

- Perché sviluppare una rete e la formazione
Nessuno dei gruppi di ricerca di alto livello attivi nella biologia delle piante in Italia raggiunge oggi la dimensione critica necessaria per rimanere a lungo competitivo sul piano internazionale e per diventare punto di riferimento e di stimolo per l'industria. Lo scarso collegamento fra i gruppi impedisce la crescita di un'adeguata comunità scientifica e la formazione di personale di elevato profilo scientifico e tecnico. Tutto ciò ha ostacolato l'attuazione in Italia di piani ambiziosi e articolati di ricerca sulle piante, e ha reso praticamente impossibile il trasferimento dei risultati della ricerca ad applicazioni biotecnologiche. L'esempio degli altri Paesi industrializzati mostra invece chiaramente che per evitare l'emarginazione dal futuro agro-alimentare è indispensabile lo sviluppo di un adeguato sistema di ricerca, di formazione e di trasferimento. Per impedire che il divario scientifico e tecnologico con gli altri Paesi industrializzati nel cruciale settore delle biotecnologie vegetali diventi irreversibilmente incolmabile, è indispensabile che un progetto di ricerca post-genomica sulle piante costituisca il mezzo per costruire una prima rete di ricerca italiana nel settore vegetale, competitiva a livello internazionale e che sia di supporto alle aziende italiane per lo sviluppo di progetti applicativi. Tale rete costituirà inoltre il punto di riferimento per i futuri programmi dell'Unione Europea.<<<

Durata

36 mesi