Appunti Banca Germoplasma | Appunti di Biologia Vegetale

La banca del germoplasma: il ruolo di queste strutture nella conservazione della biodiversità.

L’uomo è sempre stato interessato ai semi, parliamo di 10 mila anni fa, con l’inizio dell’agricoltura, è lì che

c’è stato un passaggio da una fase di uomo-cacciatore e uomo-raccoglitore ad una fase di stanziamento, vi è

stato un passaggio per cui l’uomo si è reso conto che il materiale poteva essere raccolto e conservato per

essere seminato negli anni successivi: l’uomo quindi da migrante e nomade si è fermato, era molto meno

dispendioso dal punto di vista energetico seguire uno stile di vita stabile, quindi sono iniziati degli

stravolgimenti nella società umana che hanno portato all’edificazione delle città. L’interesse dell’uomo verso

i semi era limitato nell’uso e nel tempo, infatti questo interesse era limitato all’intervallo di tempo che

intercorre tra la raccolta e la semina, con l’attesa della stagione vegetativa che nei climi temperati avviene

una volta all’anno.

L’interesse dell’uomo per una conservazione a lungo termine è recente, risale ad un centinaio di anni fa, ed

è iniziata con Nikolaj Vavilov, agronomo russo vissuto durante il ‘900. Nikolaj Vavilov ha dedicato tutta la sua

vita allo studio delle piante coltivate (crops) ed alla ricerca anche di nuove varietà, e per farlo ha iniziato una

serie di spedizioni in tutto il mondo: l’idea era quella di combinare le caratteristiche di queste piante coltivate

al fine di ottenere delle nuove varietà dalle caratteristiche migliori. Durante queste spedizioni Vavilov ha

sviluppato la teoria del centro di origine delle piante coltivate, si tratta di una zona geografica ,che nel caso

delle piante coltivate, coincide con la zona dove una determinata specie come il grano ed il mais trova la sua

più ampia variabilità in termini di varietà: per esempio, in Messico troviamo la più ampia varietà di mais -

pannocchia con i semi gialli, pannocchia con i semi colorati, eccetera - qui ha avuto origine la specie di mais

che è stato il punto di inizio per lo sviluppo delle varietà. Le piante ed i suoi semi sono state portate a

Leningrado (=San Pietroburgo), quindi si è avuta la costruzione della prima banca del germoplasma:

focalizzazione sulle varietà di piante coltivate nel mondo, quella di San Pietroburgo è una banca del

germoplasma ancora esistente e funzionante, essa conserva molte varietà di piante coltivate.

Dopo l’opera di Vavilov le banche dei semi si sono sviluppate in tutto il mondo, ad oggi se ne contano circa

1750, la maggior parte di queste banche conservano varietà di piante coltivate da cui noi homo sapiens

possiamo trarre dei benefici. Tuttavia, ultimamente si sono sviluppate tante altre banche dei semi che si

occupano di conservare specie selvatiche, visti i problemi di conservazione della biodiversità vegetale.

Importanza delle crop wild relatives, si tratta di genitori selvatici delle piante coltivate, piante da cui hanno

avuto origine le nostre attuali cultivar: si tratta di piante selvatiche che continuano ad esistere in natura e

che sono soggette alla selezione naturale. Quando noi conserviamo questo materiale facciamo del bene, ci

preserviamo dall’estinzione delle specie, ma conserviamo la variabilità della specie in quel momento, invece

le piante in natura evolvono per selezione naturale, e soprattutto nel caso delle piante annuali vediamo che

la selezione agisce costantemente proprio perché il ciclo vitale della pianta è breve.

Nei primi anni 2000 nasce una struttura che è finalizzata alla conservazione di specie vegetali selvatiche

minacciate, struttura che è nata in Inghilterra e che coinvolge network di decine/centinaia di partecipanti,

raccolta e conservazione di semi di piante selvatiche che sono minacciate e che sono a rischio di estinzioni:

96000 campioni di semi provenienti da 40000 specie diverse, è quindi importante avere più campioni di semi

di una stessa specie in modo da preservare anche la variabilità, risulta quindi importante la diversificazione

del materiale genetico. Importanza della creazione di duplicati, mandando una parte dei miei campioni ad

un’altra struttura, in modo da avere una ulteriore preservazione dei semi in un altro istituto, garanzia di avere

un backup.

Le specie selvatiche presentano gli ecotipi, ed un ecotipo è un gruppo di individui che appartengono alla

stessa specie e che vivendo in luoghi differenti per tanto tempo hanno sviluppato degli adattamenti

differenti, per esempio vi sono delle differenze in termini di dimensione, e tale differenza di dimensione

dipende dall’area, quindi presenza di un fattore limitante e di condizioni più o meno favorevoli.

Il materiale che viene conservata in banca del germoplasma: la tendenza nel favorire i semi.

Questi istituti conservano principalmente semi e spore, ma si possono conservare anche dei tessuti,

soprattutto nel caso in cui i semi non presentano delle caratteristiche che sono fondamentali per sopportare

il processo di conservazione: la conservazione dei tessuti è più macchinosa, coltivazione in vitro in condizioni

sterili e di atmosfera controllata per avere la genesi di cloni, quindi in condizioni ambientali critiche per lo

sviluppo della pianta si può avere conservazione per lungo periodo, si tratta di una strategia complementare

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La banca del germoplasma: il ruolo di queste strutture nella conservazione della biodiversità. L’uomo è sempre stato interessato ai semi, parliamo di 10 mila anni fa, con l’inizio dell’agricoltura, è lì che c’è stato un passaggio da una fase di uomo-cacciatore e uomo-raccoglitore ad una fase di stanziamento, vi è stato un passaggio per cui l’uomo si è reso conto che il materiale poteva essere raccolto e conservato per essere seminato negli anni successivi: l’uomo quindi da migrante e nomade si è fermato, era molto meno dispendioso dal punto di vista energetico seguire uno stile di vita stabile, quindi sono iniziati degli stravolgimenti nella società umana che hanno portato all’edificazione delle città. L’interesse dell’uomo verso i semi era limitato nell’uso e nel tempo, infatti questo interesse era limitato all’intervallo di tempo che intercorre tra la raccolta e la semina, con l’attesa della stagione vegetativa che nei climi temperati avviene una volta all’anno. L’interesse dell’uomo per una conservazione a lungo termine è recente, risale ad un centinaio di anni fa, ed è iniziata con Nikolaj Vavilov, agronomo russo vissuto durante il ‘900. Nikolaj Vavilov ha dedicato tutta la sua vita allo studio delle piante coltivate ( crops ) ed alla ricerca anche di nuove varietà, e per farlo ha iniziato una serie di spedizioni in tutto il mondo: l’idea era quella di combinare le caratteristiche di queste piante coltivate al fine di ottenere delle nuove varietà dalle caratteristiche migliori. Durante queste spedizioni Vavilov ha sviluppato la teoria del centro di origine delle piante coltivate, si tratta di una zona geografica ,che nel caso delle piante coltivate, coincide con la zona dove una determinata specie come il grano ed il mais trova la sua più ampia variabilità in termini di varietà: per esempio, in Messico troviamo la più ampia varietà di mais - pannocchia con i semi gialli, pannocchia con i semi colorati, eccetera - qui ha avuto origine la specie di mais che è stato il punto di inizio per lo sviluppo delle varietà. Le piante ed i suoi semi sono state portate a Leningrado (=San Pietroburgo), quindi si è avuta la costruzione della prima banca del germoplasma: focalizzazione sulle varietà di piante coltivate nel mondo, quella di San Pietroburgo è una banca del germoplasma ancora esistente e funzionante, essa conserva molte varietà di piante coltivate. Dopo l’opera di Vavilov le banche dei semi si sono sviluppate in tutto il mondo, ad oggi se ne contano circa 1750, la maggior parte di queste banche conservano varietà di piante coltivate da cui noi homo sapiens possiamo trarre dei benefici. Tuttavia, ultimamente si sono sviluppate tante altre banche dei semi che si occupano di conservare specie selvatiche, visti i problemi di conservazione della biodiversità vegetale. Importanza delle crop wild relatives , si tratta di genitori selvatici delle piante coltivate, piante da cui hanno avuto origine le nostre attuali cultivar : si tratta di piante selvatiche che continuano ad esistere in natura e che sono soggette alla selezione naturale. Quando noi conserviamo questo materiale facciamo del bene, ci preserviamo dall’estinzione delle specie, ma conserviamo la variabilità della specie in quel momento, invece le piante in natura evolvono per selezione naturale, e soprattutto nel caso delle piante annuali vediamo che la selezione agisce costantemente proprio perché il ciclo vitale della pianta è breve. Nei primi anni 2000 nasce una struttura che è finalizzata alla conservazione di specie vegetali selvatiche minacciate, struttura che è nata in Inghilterra e che coinvolge network di decine/centinaia di partecipanti, raccolta e conservazione di semi di piante selvatiche che sono minacciate e che sono a rischio di estinzioni: 96000 campioni di semi provenienti da 40000 specie diverse, è quindi importante avere più campioni di semi di una stessa specie in modo da preservare anche la variabilità, risulta quindi importante la diversificazione del materiale genetico. Importanza della creazione di duplicati, mandando una parte dei miei campioni ad un’altra struttura, in modo da avere una ulteriore preservazione dei semi in un altro istituto, garanzia di avere un backup. Le specie selvatiche presentano gli ecotipi, ed un ecotipo è un gruppo di individui che appartengono alla stessa specie e che vivendo in luoghi differenti per tanto tempo hanno sviluppato degli adattamenti differenti, per esempio vi sono delle differenze in termini di dimensione, e tale differenza di dimensione dipende dall’area, quindi presenza di un fattore limitante e di condizioni più o meno favorevoli. Il materiale che viene conservata in banca del germoplasma: la tendenza nel favorire i semi. Questi istituti conservano principalmente semi e spore, ma si possono conservare anche dei tessuti, soprattutto nel caso in cui i semi non presentano delle caratteristiche che sono fondamentali per sopportare il processo di conservazione: la conservazione dei tessuti è più macchinosa, coltivazione in vitro in condizioni sterili e di atmosfera controllata per avere la genesi di cloni, quindi in condizioni ambientali critiche per lo sviluppo della pianta si può avere conservazione per lungo periodo, si tratta di una strategia complementare

che viene applicata nell’ambito delle specie recalcitranti che non sopportano questa metodologia di conservazione tramite semi. Il polline non è il massimo, si conserva per poco tempo, inoltre dal polline non si può ottenere un nuovo individuo. Le banche del DNA sono ancora meno immediate, cioè bisognerebbe introdurre il DNA all’interno di cellule somatiche della stessa specie presente in natura: non si tratta di un meccanismo agevole, ma vi sono delle possibili applicazioni in programmi di breeding. Le spore sono il prodotto della riproduzione delle felci, che rappresentano il passo precedente alle spermatofite dal punto di vista evolutivo, cioè le spermatofite sono le piante che producono semi, e vediamo che possiamo conservare agevolmente sia le spore sia i semi: il seme rappresenta l’elemento più evoluto, si tratta di un individuo fatto e finito, essendo prodotto della riproduzione sessuata intrinsicamente rappresenta un individuo nuovo e si prende in considerazione la diversità genica. In uno spazio ristretto si possono conservare decine-centinaia-migliaia di semi, quindi si supera il problema della diversità genetica limitata propria della fase di campionamento. Dal seme è possibile ricostruire una pianta senza andare incontro a processi macchinosi, perché il seme rappresenta un individuo fatto e finito, è necessaria solamente la germinazione. Capacità di questi semi di restare vitali per molto tempo, quindi i semi si configurano come organismi perfetti per la conservazione. La conservazione dei semi è diventata una vera e propria disciplina scientifica, sono state prodotte delle linee guida per trovare i fondamenti e gli aggiornamenti necessari per svolgere questo tipo di studi: linee guida molto semplici, si parla di protocolli sintetici che vanno a ricoprire vari aspetti che vanno dalla raccolta, alla conservazione, allo studio di questo materiale. Le procedure generali di conservazione: le priorità. Prendiamo ora in considerazione le procedure generali di conservazione, quindi come vengono trattati i semi. Scaletta delle operazioni da tenere in considerazione quando decidiamo di lavorare in banca di germoplasma. Per prima cosa bisogna stabilire delle priorità in merito a quali specie andare a conservare, quindi conservazione di piante coltivate o di specie selvatiche, su target regionale o su target mondiale. Le priorità dipendono molto dal finanziamento. Noi ci focalizziamo sulle piante selvatiche, per le quali le banche del germoplasma possono avere differenti priorità, per esempio possiamo essere interessati alle piante minacciate, alle piante rare (=contesto della conservazione), alle piante endemiche (=contesto di areale ristretto) ed alle crop wild relatives (=genitori selvatici delle piante coltivate). Il target quindi è la conservazione per impedire l’estinzione, ma si tratta di un metodo complementare della conservazione della biodiversità, cioè l’ideale sarebbe conservare le specie direttamente in natura. Un altro elemento interessante è la ecological restoration , si tratta di azioni di recupero di ambienti degradati, quindi pensiamo a delle superfici di aree degradate che vengono tendenzialmente abbandonate una volta conclusa l’attività: nasce quindi una nuova scienza assieme alla conservazione dei semi che è l’ecologia del recupero, scienza che si occupa del ripristino di habitat degradati. Le procedure generali di conservazione: il campionamento. Passaggio alla fase di campionamento. Quanti semi si devono campionare? Da quanti individui? Da quante popolazioni? Da quanti ecotipi? Le piante sono organismi sessili, l’espressione fenotipica nelle piante può essere risultato di un adattamento genetico oppure può essere espressione epigenetica, quindi cambiamenti che non implicano delle variazioni a livello del DNA. Il modo migliore per massimizzare la diversità genetica in fase di campionamento consiste nella ricerca degli ecotipi, espressione fenotipica che implica dei cambiamenti del DNA, inoltre si prendono in considerazione popolazioni differenti, risultato della presenza di barriere fisiche che impediscono l’instaurarsi di un flusso genico da una popolazione all’altra. Il fine è la reintroduzione in natura, importanza della diversità genetica. Per le specie selvatiche ad ampia distribuzione vengono campionati almeno 50 individui per popolazione in riferimento ad almeno 50 popolazioni, quindi vengono raccolti 2000-5000 semi in totale: in questo modo si garantisce la conservazione di una variabilità sufficiente, concetto importanti in termini di futura reintroduzione in natura. Il problema della bassa diversità consiste nella perdita di potenziale evolutivo e depressione da inincrocio, quindi sviluppo di alleli recessivi che portano ad una riduzione della fitness.

capacità da parte dei germogli di dare origine ad un intero individuo, si utilizzano quindi delle camere di crescita o delle coltivazioni all’aperto, tecnica che si utilizza per propagare il materiale conservato. Per quanto tempo sopravvivono i semi? I concetti di vitalità, longevità ed invecchiamento. Elementi chiave da tenere presente durante la conservazione in banca sono vitalità, longevità, invecchiamento. o (^) La vitalità consiste nella capacità che un seme ha di germinare. o (^) La longevità consiste nella capacità che un seme ha di rimanere vitale nel tempo, connotazione di tipo temporale. o (^) L’invecchiamento consiste in un processo inevitabile che cerchiamo di rallentare migliorando le tecniche di conservazione, esistono inoltre delle tecniche di priming per rinvigorire il seme e riportarlo alla vitalità iniziale. Esistono delle tecniche per valutare la vitalità del materiale: test di germinazione, test ai raggi x, test con tetrazolo e test di taglio ( cut-test ), e di tutti questi test ovviamente è il test di germinazione a dare la maggiore predittività in termini di vitalità del materiale. L’ideale per il monitoraggio della vitalità è fare delle repliche in modo che sia possibile fare delle analisi: su una collezione ampia di semi il monitoraggio della vitalità con repliche consiste in un meccanismo che può essere svolto, invece se si ha una collezione di pochi semi allora sarebbe uno spreco fare un test di vitalità. Nel caso di poco materiale questi test sono fatti con il fine di far crescere la pianta, mentre normalmente vengono svolti con una certa frequenza nel tempo. Tendenzialmente di procede alla divisione della collezione di semi in due lotti con differente percentuale di semi, ed il lotto più ristretto viene sfruttato per fare dei test di vitalità: quando la vitalità è inferiore al 75% è richiesta la rigenerazione del campione, quindi si procede con germinazione, crescita e raccolta di semi dalla pianta che è germinata da quegli stessi semi, o in alternativa si fa un nuovo campionamento. Per quanto tempo sopravvivono i semi? La risposta a questa domanda è “dipende”, perché sono tante le nicchie ecologiche occupate dagli organismi, e quindi l’espressione mostrata dagli organismi è molto ampia ed eterogenea. Ci sono dei casi estremi come quello della “palma di Gesù”, cioè qualche decina di anni fa durante degli scavi archeologici in Palestina si sono scoperti questi semi, il materiale è stato raccolto e dei ricercatori si sono presi la briga di valutare la vitalità dei semi, stima dell’età con ¹⁴C ed test di germinazione previa corretta stimolazione. Non tutte le specie si conservano per così tanto tempo, in generale ci sono delle condizioni che rallentano il processo di invecchiamento, possibile presenza anche di geni che codificano per prodotti che rallentano tale processo. La relazione che si instaura tra temperatura di congelamento, contenuto in acqua e longevità del seme. Importanza delle condizioni di stoccaggio, di essiccazione e di congelamento dei semi: si è scoperto che ogni 6/10°C di riduzione di temperatura e ad ogni punto % di riduzione di contenuto in acqua si ha il raddoppio della longevità del seme. o (^) L’umidità relativa è la quantità di vapore acqueo nell’aria ad una determinata temperatura, quando arriva al 100% condensa. o (^) Il contenuto in acqua consiste nella quantità di acqua contenuta nel seme, non necessariamente corrisponde all’umidità relativa. Con la riduzione della temperatura si osserva un aumento della longevità del materiale, ma fino ad un certo punto, quindi esiste un limite, lo standard che si utilizza per la fase di congelamento è generalmente di - 20°C, punto in cui la curva raggiunge un massimo. Con la riduzione del contenuto in acqua si osserva un aumento della longevità, e quando l’umidità relativa è dell’85% il contenuto in acqua del seme è del 15/20%. Il processo di invecchiamento: la perdita di vitalità del seme nel tempo. Invecchiamento, cioè il materiale inesorabilmente perde di vitalità nel tempo, ed esiste proprio un’equazione che misura la perdita di vitalità nel tempo. Curva sinusoidale, indichiamo il tempo e la vitalità intesta come percentuale di germinazione: si vede che con il passare del tempo la percentuale di germinazione si riduce, in generale specie diverse possono mostrare curve di invecchiamento diverse. La vitalità iniziale rappresenta quell’intervallo di tempo in cui non si osserva una perdita di vitalità nei semi in germinazione. C’è un momento in cui la curva piega verso il basso, ed esiste anche una differente inclinazione della curva, per cui

meno la curva pende meno rapida è la riduzione della vitalità. La P50 rappresenta il tempo affinché la vitalità del campione si riduca del 50%. Le banche dei semi sono delle strutture relativamente recenti, e le banche dei semi in cui si utilizzano questi standard di conservazione ottimali sono molto recenti, sono attive da circa cinquant’anni. Se si sono fatti i test di vitalità è possibile mettere in evidenza che queste condizioni di conservazione funzionano: i boxplot rappresentano la vitalità in anni di vari lotti di specie o di semi che sono conservati in modo differente, si mette in evidenza che i semi conservati al freddo e secondo procedure internazionali accettate sono quelli che si conservano per più tempo. Questa capacità dei semi di rimanere vitali per tanto tempo è influenzata da tanti fattori, inoltre facciamo fatica a studiare questa cosa sui semi conservati in banca perché la vitalità viene mantenuta bene nel tempo: si sfruttano quindi degli esperimenti di invecchiamento accelerato, in condizioni di umidità controllata alta 60% e di alta temperatura 45°C, studiamo quindi come la vitalità tende a decadere. Ovvio che non è la stessa cosa, questi due ambienti di conservazione inducono il seme ad andare incontro a processi di invecchiamento che sono differenti. Attraverso questi protocolli è emerso che questa capacità del seme di sopravvivere dallo stress indotto da invecchiamento dipende dalle condizioni di stoccaggio, dalla vitalità iniziale del seme (=maturità iniziale) e dal clima di origine della pianta. o (^) All’aumentare della maturità del seme – da sinistra verso destra – aumenta anche la P50, vediamo che la pendenza della curva è la stessa, stiamo trattando la stessa specie, infatti la pendenza (=tasso di deterioramento) è specie-specifico. Quello che cambia è l’inizio del declino, quindi la vitalità iniziale, capacità del seme di resistere mantenendo una elevata vitalità prima dell’inizio del declino: la vitalità iniziale è fortemente legata al momento della raccolta del seme. o (^) Importanza del clima, quindi le specie delle zone più fredde producono dei semi che hanno un tasso di invecchiamento maggiore rispetto alle specie delle zone più calde, quindi in termini di conservazione si dà la priorità proprio alle specie che vivono in ambiente più freddo in quanto il seme è meno longevo. Ci sono delle piante che hanno una distribuzione artico-alpina, poi in seguito alle glaciazioni si sono avute delle migrazioni di massa per cui le piante sono andate verso sud: con il termine delle glaciazioni alcune piante sono tornate indietro ed è successo che qui c’erano del rilievi, alcune sono tornate indietro nel loro luogo d’origine, mentre altre sono rimaste sulle montagne. Dal test della longevità è emerso che sono più longeve le popolazioni del sud rispetto alle popolazioni del nord, le specie che si trovano ai margini dell’areale sono sottoposte a condizioni di stress di temperatura, per cui il seme che cade in condizioni di terreno arido (=alta temperatura e scarse precipitazioni) deve avere la possibilità di persistere nel tempo. o (^) Componente tassonomica, quindi famiglie differenti presentano delle tendenze differenti, per esempio le cucurbitaceae sono più longeve delle oppiaceae. Caratteristiche che sono date da attributi della pianta, per esempio il dimorfismo. Aegylops è una pianta annuale, affida le sue generazioni solo ed esclusivamente ai semi, la pianta per garantirsi le generazioni future ha sviluppato una strategia per cui produce un seme piccolo che germina subito in autunno ed è meno longevo, ed un seme grande che è dormiente e longevo, qui sono accumulati fitormoni come l’acido abscissico che impediscono la germinazione anche nelle condizioni migliori: necessità di avere un periodo di permanenza al freddo, consumo del fitormone e germinazione del seme grande in primavera o autunno seguente, in questo modo sono garantite probabilità maggiori di dare origine ad un individuo adulto. Differenza importante della vitalità iniziale, invece la pendenza è la stessa (specie-specificità). o (^) Plasticità fenotipica all’interno di una stessa generazione, quindi piante della stessa specie sono state fatte germinare e crescere in condizioni di temperatura differenti: raccolta dei semi ed analisi della longevità, si vede come il tasso di deterioramento sia differente, ed in particolare il tasso di deterioramento è più rallentato nei semi della specie cresciuta in condizioni di temperatura maggiore. La pianta madre ha trasmesso alla progenie delle proteine legate allo stress al calore che portano ad un migliore adattamento in condizioni di temperatura maggiore. La implications for plant conservation e le problematiche nell’utilizzo delle conservazioni ex situ. Il materiale che conserviamo in banca del germoplasma non deve restare in questa sede per sempre, non è che siamo dei collezionisti, alla fine se necessario dobbiamo riportare le piante in natura, nel momento in cui queste sono minacciate e se le popolazioni sono in declino. La scienza della conservazione ex situ è recente,

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