NUOVE Biotecnologie Agrarie e Biologia Applicata

Struttura del Corso Lo sviluppo di questo Corso, di Biologia Biotecnologie Agrarie applicate, è strutturato in due Parti che nel loro insieme contemplano undici Capitoli, di cui quattro collocati nella Parte prima e i restanti sette nella Parte seconda. 163 Prerequisiti Ecologia generale: ecosistemi, comunità, popolazioni, organismi (produttori, consumatori, decompositori) habitat, nicchia ecologica, catena alimentare Agroambiente, Produzioni vegetali e Difesa delle colture Ogni Parte si apre richiamando i prerequisiti necessari, quali conoscenze di base per affrontare i contenuti, e definisce gli ambiti dell intero percorso proposto in chiave didattica sia sul testo cartaceo sia con funzione di corredo e completamento, approfondimento, verifica dei saperi e proiezione all esame sul Libro digitale. Didattica digitale Guida ai percorsi e riepiloghi attivi Biologia generale: livelli di organizzazione dei viventi, rapporti trofici (antagonismo, parassitismo, simbiosi) Approfondimenti e integrazioni Biologia molecolare: acidi nucleici, geni, cromosomi, genoma Biotecnologie moderne: tecniche diagnostiche, ingegneria genetica, OGM Verifiche digitali interattive dei contenuti Botanica: le piante e la loro struttura Zoologia: caratteristiche dei phylum animali Verso le prove d Esame Tassonomia: regni, phylum, classi, ordini, famiglie, generi, specie Le biotecnologie agrarie rendono fortemente operative le conoscenze di base della biologia, generale e applicata, e consentono alle produzioni vegetali di sfruttare appieno tutte le tecniche e tecnologie che accompagnano la strategia di difesa per la lotta ai parassiti e la salvaguardia sia della sostenibilità agroambientale, sia della salubrità delle produzioni agricole SETTORI APPLICATIVI PERCORSO-OBIETTIVI Capitolo 5 Capitolo 6 Capitolo 7 Agricoltura, fitoiatria e sostenibilità Le piante e le avversità Virus e fitovirus La fitoiatria è la disciplina che si occupa della difesa delle piante attraverso tutti i mezzi in grado di prevenire o curare le alterazioni delle piante, di origine fisiologica o parassitaria, e per impedire o contenere le perdite di produzione (e il relativo danno economico) che ne deriverebbe Per essere correttamente applicata, la fitoiatria richiede conoscenze di base sul ruolo della pianta nell agroecosistema, sulle relazioni fra i vegetali e le malattie che li colpiscono e sui rapporti fra la coltura e gli animali che la danneggiano I virus sono particelle prive di struttura cellulare che si moltiplicano solo all interno di una cellula ospite da loro infettata. Tutti i virus sono costituiti da un involucro proteico (capside) all interno del quale vi è un acido nucleico, che può essere DNA o RNA. I fitovirus sono virus che attaccano i vegetali Capitolo 8 Capitolo 9 Capitolo 10 Capitolo 11 I batteri fitopatogeni I funghi fitopatogeni Insetti e altri animali di interesse agrario Le avversità, riconoscimento e controllo I batteri sono microrganismi, procarioti, unicellulari con dimensioni di millesimi di millimetro. Si distinguono in Gram positivi e Gram negativi. Alcuni batteri vivono a spese delle piante e sono responsabili di patologie dette batteriosi. I fitoplasmi sono batteri atipici I funghi sono organismi eucarioti, eterotrofi, organizzati in ife che, nell insieme, costituiscono il micelio. Le specie fitopatogene sono distinte in pseudofunghi appartenenti ai regni dei Cromisti e dei Protozoa e funghi veri del Regno dei Funghi. Si classificano in Chytridiomycota; Zygomycota; Ascomycota; Basiodiomycota Le piante sono oggetto di attacchi da parte di moltissimi animali (Nematodi, Molluschi, Artropodi, Uccelli e Mammiferi). I più numerosi sono gli Insetti Artropodi che si nutrono di tutte le parti della pianta, a seconda della tipologia o dello stadio di sviluppo Alcuni criteri pratici consentono un rapido riconoscimento delle avversità delle piante distinguendo i danni non parassitari dai danni causati da patogeni o da fitofagi. Il loro controllo si realizza con strategie di difesa ecosostenibile: modelli previsionali nelle colture cerealicole, confusione sessuale nei frutteti e controllo integrato nel verde pubblico Biotecnologie e nuove frontiere PERCORSO E AMBITI OPERATIVI 1 Genico, transgenico, 3 Applicazioni biotecnologiche 5 Organismi transgenici Le conoscenze sulle tecniche di biologia molecolare hanno permesso di intervenire in vari ambiti identificati da un codice di colori: biotecnologie rosse utilizzate per la salute umana; biotecnologie bianche conosciute come industriali di consumo di massa; biotecnologie verdi che comprendono quelle collegate sia all ambiente sia all agricoltura Un animale transgenico contiene in tutte le sue cellule un transgene, cioè un frammento di DNA di origine estranea. Sono molteplici gli scopi della ricerca: migliorare la qualità e quantità delle carni, aumentare la resistenza alle malattie, produrre farmaci o proteine utili all uomo, fornire modelli di patologie umane, creare potenziali donatori di organi o di tessuti umanizzati forte la polemica tra sostenitori degli OGM e coloro che temono rischi per l ambiente e la salute umana, quali: tossicità, allergenicità, sviluppo di batteri resistenti agli antibiotici, maggiore impoverimento della biodiversità, aumento del bioinquinamento. La trasmissione di geni nuovi ad altre piante, non GM, viene additato come inquinamento genico 2 Applicazioni biotecnologiche 4 Applicazioni biotecnologiche 6 Nbt (New breeding Molti microrganismi sono da sempre utilizzati dall uomo per vari scopi e oggi, opportunamente ingegnerizzati, sono impiegati dall industria farmaceutica per la produzione di ormoni, antibiotici, vaccini; nell agroalimentare per ottenere coadiuvanti biotecnologici e biosensori; per l ambiente nello smaltimento e trattamento rifiuti, biorisanamento suolo, bioestrazione, produzione di biocombustibili, biofertilizzanti e biofitofarmaci Una pianta transgenica contiene nelle sue cellule un DNA modificato dall introduzione, attraverso vettori (agrobatteri, protoplasti, pistola a geni), di frammenti di DNA provenienti da altri organismi. Gli ambiti nei quali tali piante possono offrire le maggiori possibilità sono: produzioni più abbondanti e di maggiore valore, maggiore disponibilità di aree coltivabili, minori rischi per l ambiente e minori costi Le Nbt sono tecniche di ingegneria genetica estremamente precise e veloci nel modificare il patrimonio genetico di un organismo, senza tuttavia dare vita a OGM transgenici. Si tratta della cisgenesi che si basa sull inserimento di un preciso frammento di DNA proveniente da organismi della stessa specie e il genome editing che consente di modificare in modo mirato specifici geni biotecnologico Tutti i Capitoli, che definiscono gli argomenti portanti, propongono in apertura una dettagliata traccia dei contenuti e una breve sintesi introduttiva, nella doppia versione italiana e inglese. Questa mappa iniziale del Capitolo diventa pienamente operativa sul Libro digitale proponendo un esaustivo percorso interattivo di sintesi e ripasso dei contenuti e richiamando tutti i materiali in modo funzionale allo sviluppo dei percorsi digitali. e microrganismi 42 Gli insetti fillominatori sono microlepidotteri e piccole mosche le cui larve si nutrono dei tessuti dei vegetali scacondo caso l mRNA contiene GUA che codifica per la valivando gallerie (mine), solitamente nelle foglie; nelle piante na; si produce così l emoglobina delle cellule dell anemia falciforme. L anomalia dipende quindi da una piccolissima variazione di un gene. L errore è provocato dalla sostituzione di un nucleotide presente nel filamento di DNA che, una volta trascritto e poi tradotto, codificherà un diverso polipeptide. a Le diverse possibilità sono esemplificate nello schema. Qualche altra volta gli effetti sono meno gravi, magari a cambiare è il colore del frutto o del fiore. Capitolo 11 Delezione HAI CIC HED AI a 59 Mutazione genica (chimera) su mela. imenotteri [ 8 ], le cui larve si sviluppano all interno dei frutti danneggiandoli irreparabilmente. Altri insetti possono predigere comunque la frutta nella loro dieta, come i calabroni [ 9 ]. c b Aggiunta HAI CI CHE EDA I f 60 L alterazione di una lettera non consente di capire il senso della d frase, così come l alterazione di un nucleotide cambia il senso della proteina. e LIBRO DIGITALE Le mutazioni spontanee Sostituzione 8 (a) Larva della cidia del susino (Cydia funebrana). (b) Pupa di mosca delle olive (Bactrocera oleae) all interno di una drupa. (c) Moscerino dei piccoli frutti (Drosophila sukuzii) mentre depone le uova su una ciliegia (cortesia dr.ssa C. Daniel). (d) Balanino (Curculio sp.): i balanini fanno parte del gen. Curculio caratterizzato da un rostro lungo e sottile (più lungo Aggiunta DNA RNA Acido Istidina glutammico Istidina nella femmina) il quale annovera C. elephas, balanino delle castagne, e C. nucum, balanino delle nocciole che da adulto si alimenta crivellando foglie, gemme e frutti in accrescimento, dove poi la femmina depositerà le uova e in cui si svilupperanno le larve (e). (f) Larva della tentredine gialla del susino (Hoplocampa flava). Istidina PROTEINA NORMALE Delezione Valina Istidina Istidina Acido Istidina glutammico Istidina a Prolina PROTEINA ERRATA Istidina Isoleucina Isoleucina PROTEINA ERRATA b c Serina PROTEINA ERRATA Acido glutammico techniques) ABSTRACT Un Organismo Geneticamente Modificato (OGM) è un essere vivente al quale è stata modificata una parte del genoma con l aggiunta, l eliminazione o la modifica di geni specifici, al fine di ottenere nuove caratteristiche genetiche utilizzabili in svariati ambiti applicativi, animali e vegetali. Le tecniche utilizzate per questi scopi sono appunto dette tecniche di ingegneria genetica . Gli OGM vengono anche detti organismi transgenici quando il materiale genetico inserito in un dato organismo proviene da un individuo di specie diversa. I microrganismi, semplicemente selezionati oppure più o meno ingegnerizzati, vengono impiegati in svariati settori: dall industria di trasformazione agroalimentare alle preparazioni farmaceutiche, dall ottenimento di specifiche sostanze (enzimi) da essi prodotti alla difesa dell ambiente naturale, dal risanamento di contaminazioni ambientali alla difesa delle produzioni agrarie Chapter 4 - Biotechnologies and new frontiers A GMO (genetically modified organism) is an organism in which part of the genome has been altered by adding, eliminating or modifying specific genes in order to obtain new genetic characteristics to be used in several areas of application, both animal and vegetal. The techniques applied for these purposes are called genetic engineering techniques . GMOs are also known as transgenic organisms when the genetic matter transferred into an organism belongs to a different species. Simply selected or engineered microorganisms are employed in several sectors: food processing and pharmaceutical industry, specific substances (enzymes) production, natural environment protection, recovery of environmental contamination and crop production protection erbacee la larva può addentrarsi entro il cuore della pianta [ 7a ]. Il tipo e l andamento delle mine possono assumere un aspetto anche caratteristico [ 7b ]. 7 (a) Larva della mosca del porro (Napomyza gymnostoma). (b) Mine su foglia di melo a forma di piazzola (detta stigmatonomio), causate dal litocollete delle pomacee e drupacee (Phyllonorycter malellus). b CARPOFAGI Gli insetti carpofagi sono così chiamati in quanto si nutrono dei frutti. In entomologia agraria si è soliti usare il termine con riferimento in particolare a lepidotteri, ditteri, coleotteri, HAI CI CHE DAI Sostituzione HAI AI CHE DAI 367 e rischio biotecnologico FILLOMINATORI Biologia applicata, Biotecnologie, Agroambiente Le mutazioni geniche riguardano la sostituzione di un singolo nucleotide e sono dette mutazioni puntiformi; esse si verificano con meccanismi diversi: sostituzione, delezione, aggiunta di un singolo nucleotide che codificherà una proteina nuova. Si verifica cioè un errore di stampa che porta alla produzione di proteine sbagliate [ 59 60 61 ]. Ad esempio il DNA dell emoglobina normale (filamento che viene trascritto) contiene la tripletta CTT mentre il filamento che viene trascritto, del DNA mutante, per sostituzione di una base di adenina con timina è CAT. Ne consegue che nel primo caso l mRNA contiene la tripletta GAA che codifica per acido glutammico e nel se- e piante transgeniche IN SINTESI Le avversità, riconoscimento e controllo Parte 1 e animali transgenici 9 frequente nei frutteti a conduzione famigliare vedere calabroni divorare la polpa di mele e pere fino a svuotare il frutto (a e b); la predazione di altri insetti da parte delle femmine (per l identificazione si contano gli antennomeri che sono 12 nella femmina operaia e 13 nel maschio), non è invece finalizzata all alimentazione dell adulto: la preda viene atterrata e fatta a pezzi (c), poi il calabrone tritura il torace della vittima (dove sono presenti i muscoli delle ali che forniscono un alimento proteico) e ne fa una pallottola che porterà come cibo alla prole. La trattazione dei contenuti è favorita da un linguaggio chiaro, conciso, esaustivo e scientificamente definito, armonizzato in un contesto grafico e iconografico ricco e finalizzato alla comprensione visiva dei contenuti più rappresentativi, e portanti, della disciplina. 61 Mutazioni puntiformi. 0000.Romane.indd 12 02/03/21 16:46

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