Descrizione previsione attività della commessa "Evoluzione ed analisi della diversità genetica delle risorse naturali e forestali (AG.P01.019)"

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  • Descrizione previsione attività della commessa "Evoluzione ed analisi della diversità genetica delle risorse naturali e forestali (AG.P01.019)" (literal)
Iniziative per acquisizione entrate
  • La principale iniziative per acquisire ulteriori entrate riguarda la formulazione di nuovi progetti da inviare all'Unione Europea nell'ambito di Horizon 2020. A tale riguardo è in fase di realizzazione un proposta di progetto focalizzato sulle risorse genetiche forestali che vede coinvolti 17 partners europei. In aggiunta alle entrate da progetti finanziati dall'Unione Europea già attivi (TipTree, FORGER, ProCogen) e al MIUR attraverso un progetto FIRB, sono auspicate nuove entrate attraverso la realizzazione di altri progetti nell'ambito di Horizon2020. Sono infatti in fase di preparazione nuove proposte di ricerca focalizzata sullo studio delle basi molecolari dell'adattamento in specie forestali e di sviluppo di nuovi approcci per la caratterizzazione e conservazione delle risorse genetiche forestali. E' stato recentemente approvato un progetto di ricerca nell'ambito ERANET-Foresterra, focalizzato sugli ecosistemi forestali mediterranei, che vedrà il suo inizio in gennaio 2015. Si prevede inoltre di formulare alcune proposte di progetti su base bilaterale (con istituzioni spagnole e francesi) da sottoporre a Fondazioni, così come di proposte per l'acquisizione di nuove strumentazione (nell'ambito di bandi Europei). Si prevede inoltre di favorire una maggiore interazione con le UOS dell'istituto localizzate nelle Regioni della convergenza, per valutare il possibile coinvolgimento in progetti specificatamente dedicati a queste regioni. A tale riguardo è in fase di definizione il rinnovo di un finanziamento di un progetto sul Pinus leucodermis da parte dell'Ente Parco del Pollino, che sarà quindi disponibile nell'anno 2015. (literal)
Punti critici
  • Gli studi che hanno come obiettivo principale quello di dissezionare il ruolo della demografia e della selezione sulla distribuzione della diversità genetica prevedono l'analisi di un numero elevato di geni e di marcatori genetici in un numero elevato di popolazioni. Considerando che questi lavori si basano sul risequenziamento e la genotipizzazione di un elevato numero di geni e di popolazioni, la disponibilità di strumentazione ad alta processività ed efficienza, come ad esempio di sequenziatori e stazioni robotiche di nuova generazione, assume grande importanza. Sebbene di recente l'istituto abbia acquisito un nuovo sequenziatore al alta processività (ION Torrent), grazie ad un contributo della Regione Toscana, l'inadeguatezza della strumentazione rappresenta ancora una criticità. Analogo discorso va fatto per le piattaforme per la fenotipizzazione, anche se la recente creazione di una URT dell'IBBR presso Agrobios Metapontum permettrà di fruire di uan delle piattaforme di fenomica più evolute in Europa e quindi risolvere, almeno per la misura di alcuni caratteri fenotipici, il problema. Altro aspetto critico riguarda il personale tecnico e ricercatore insufficiente, o la mancanza di personale con specifiche competenze (ad esempio, in bioinformatica). Grazie all' efficienza dei nuovi sistemi di sequenziamento e quindi alla capacità di produrre un'elevatissima quantità di dati, il ruolo della bioinformatica (sia in termini di strumentazione che di competenze) sta assumendo importanza fondamentale per la gestione e realizzazione di progetti di ricerca nel settore. In questo contesto va sottolineata anche la mancanza di adeguati supporti informatici dedicati a questi tipi di studi. Va ancora evidenziata la cronica mancanza di personale tecnico, in particolare con competenze nel settore della genomica, le cui mansioni vengono espletate da ricercatori a discapito delle attività di ricerca. Come negli anni precedenti, le principali azioni che si intende intraprendere per fare fronte alle criticità sopra riportate possono essere riassunte in 4 punti principali: 1) stipula di nuove convenzioni con piattaforme di genomica e di fenomica che permettano di usufruire dei loro servizi e utilizzare la loro strumentazione e competenze; 2) richieste di specifici finanziamenti per l'acquisizione di nuova strumentazione (ad esempio, a Fondazioni); 3) partecipazione a nuovi progetti sia nazionali che europei, inclusi quelli che hanno come principale obiettivo quello di creare infrastrutture comuni; 4) formulazione di nuove idee da proporre a gruppi di ricerca internazionali per la finalizzazione di progetti comuni. Si prevede di intraprendere un'azione coordinata che veda il coinvolgimento di gruppi con competenze in ecologia del territorio, modellizzazione e genetica di popolazione per: - combinare dati ambientali (climatici, topografici) e molecolari, per realizzare studi di landscape genetics - eseguire analisi di coalescenza per ricostruire i più probabili modelli demografici che hanno determinato l'attuale distribuzione della diversità genetica - utilizzare approcci innovativi per lo studio dell'adattamento locale a cambiamenti climatici - verificare le ipotesi relative ai processi alla base dell'evoluzione spazio-temporale della diversità genetica - stimare correlazioni tra marcatori SNPs e parametri ambientali - verificare la presenza di associazioni tra caratteri fenotipici e marcatori molecolari - fornire linee guida per la conservazione della diversità genetica e il monitoraggio della variazione della diversità nello spazio e nel tempo Le azioni di questa commessa prevedono l'uso combinato di marcatori a DNA identificati in geni supposti essere coinvolti in processi legati all'adattamento con modelli di analisi spaziale a diverse scale, in importanti specie di ecosistemi naturali (pini mediterranei, tasso, faggio, ciliegio, popolazioni marginali di abete rosso e abete bianco, specie relitte). La scelta delle specie è motivata sia dalla loro importanza ecologica ed economica ed anche dalla disponibilità di dati genetici e fenotipici, raccolti nell'ambito delle attività svolte in questa commessa. Le attività si articoleranno secondo i seguenti punti principali: 1) genotipizzazione di SNPs di nuove popolazioni, anche utilizzando metodi basati sul Genotyping by Sequencing 2) raccolta di dati climatici e genetici già disponibili (principalmente relativi a polimorfismi SNPs rilevati in geni candidati), su ampia scala geografica 3) analisi della distribuzione spaziale delle diversità genetica utilizzando approcci Bayesiani e basati sull'autocorrelazione 4) monitoraggio dell'evoluzione della diversità genetica in funzione della domesticazione 5) produzione di mappe di distribuzione della diversità genetica utilizzando approcci basati sull'interpolazione spaziale 6) identificazione di pool genici 7) stima delle correlazioni tra diversità genetica e parametri ambientali (literal)
Attività da svolgere
  • Durante il 2015, l' attività prevista nell'ambito di questa modulo sarà la logica conseguenza di quanto realizzato negli anni precedenti e sarà focalizzata sugli stessi obiettivi principali, i.e. lo studio delle basi molecolari dell'adattamento ai cambiamenti climatici di specie forestali, con particolare enfasi a quelle del bacino del mediterraneo. E' stato già osservato ed è previsto che i cambiamenti climatici avranno un significativo impatto sugli ecosistemi naturali/forestali europei, ed in particolare su quelli del bacino del Mediterraneo, con significative conseguenze sulla distribuzione delle specie, sulla funzionalità dell'ecosistema e sull'interazione tra specie. Gli alberi sono organismi sessili a lungo ciclo vitale, che in un contesto di cambiamenti climatici repentini possono estinguersi localmente, migrare in habitat più favorevoli e/o adattarsi in un limitato numero di generazioni. L'ipotesi di lavoro della presente commessa può essere così riassunto: il processo di adattamento a mutate condizioni ambientali può essere piuttosto rapido in specie forestali, data l'elevata variabilità genetica generalmente presente entro le popolazioni e le loro grandi dimensioni, quindi attenuando in parte l'impatto del cambiamento climatico, anche se con conseguenze sulla struttura della biodiversità dell'ecosistema. Attraverso il sequenziamento/genotipizzazione utilizzando approcci high throughput di numerosi marcatori in geni candidati con rilevanza ecologica, o il risequenziamento di interi genomi/trascrittomi sarà studiato il ruolo relativo della demografia e della selezione sulla distribuzione della diversità genetica in specie forestali. Questo verrà fatto a diverse scale spaziali, i.e. il monitoraggio della diversità a geni candidati su larga scala geografica (lungo l'intero areale di distribuzione della specie) e su lungo gradienti altitudinali replicati in diverse aree geografiche. Verranno anche caratterizzate in dettaglio parametri climatici a cui sono esposte le popolazioni studiate e misurati alcuni caratteri fenotipici, al fine di verificare la possibile presenza di correlazioni tra marcatori genetici e parametri climatici, e di associazioni tra genotipo e fenotipo. Più specificatamente, gli obiettivi del progetto riguardano: i) l'identificazione di geni di importanza ecologica associati alla risposta al cambiamento climatico, facendo riferimento in particolare a quelli legati alla siccità, al fuoco, al freddo e alla fenologia. ii) lo studio dettagliato degli effetti della selezione naturale sui polimorfismi a carico di geni candidati in sistemi forestali modello. Lo studio riguarderà i caratteri con maggiore valenza adattativa e perciò i risultati saranno utili al fine di comprendere: a) l'impatto dei mutamenti ambientali sulla dinamica e sui livelli di biodiversità; b) la capacità dei sistemi forestali di rispondere al previsto cambiamento delle condizioni vegetative. iii) La valutazione del più probabile impatto del cambiamento ambientale (p.es., temperature, siccità e regime degli incendi) sulle foreste attraverso simulazioni. L'uso dei modelli permetterà di simulare i cambiamenti della biodiversità in scenari futuri, fornendo utili informazioni sulla funzionalità e la dinamica degli ecosistemi. L'approccio scelto è basato sul sequenziamento ad alta efficenza (high-throughput) di geni candidati e/o di interi genomi ed esomi (o in alternativa sulla genotipizzazione di migliaia di marcatori SNP). Verrà fatto particolare riferimento ad approcci basati sul sequenziamento di interi transcrittomi, sulla identificazione di geni di interesse e di polimorfismi SNPs a livelli di tali geni, e quindi principalmente a sistemi di genotipizzazione basati su Genotyping by Sequencing. I caratteri su cui verrà focalizzata l'attenzione saranno siccità, basse temperature, regime degli incendi e fenologia. Tale scelta è legata alle previsioni di cambiamento climatico per l'Europa (IPCC), che suggeriscono notevoli cambiamenti in temperatura, precipitazioni, e frequenza e intensità degli eventi estremi. In alcune regioni (ad es. Mediterraneo) è atteso anche un aumento della lunghezza della stagione vegetativa, che può aumentare il rischio di danni da gelate tardive. Particolare attenzione verrà rivolta a specie dell'ecosistema Mediterraneo di rilevanza sia ecologica che economica, tra cui Pinus halepensis, P. pinea, P. pinaster e Taxus baccata, popolazioni marginali di Fagus sylvatica, Prunus avium, Pinus nigra, Picea abies e Abies alba e specie relitte (Pinus leucodermis). (literal)
Risultati attesi
  • Durante l'anno 2015 si prevede di ottenere i seguenti risultati: - produzione di dati di sequenza ottenute dal sequenziamento con approcci innovativi di analisi del trascrittoma/esoma di Pinus halepensis, Pinus brutia, Pinus nigra e Taxus baccata. - produzione di dati di sequenza di geni ortologi associati all'adattamento in Pinus halepensis, Pinus pinaster, Pinus nigra, Abies alba e Taxus baccata - produzione di dati di sequenza e di informazioni sulla struttura e organizzazione del genoma plastidiali e mitocondriali di specie del genere Quercus e Pinus - finalizzazione del data base di sequenze dell'intero genoma di Prunus avium e di numerose cultivars antiche e moderne, e di popolazioni naturali - informazioni sull'entità e distribuzione della diversità nucleotidica e neutrale in popolazioni naturali, e sul ruolo della demografia e della selezione sulla diversità stessa - disponibilità di nuovi marcatori neutrali dei genomi nucleare, plastidiale e mitocondriale - informazioni sulle associazioni tra genotipo e fenotipo - mappe di distribuzione della diversità genetica neutrale ed adattativa da utilizzare quale strumento innovativo per la definizione di metodi per la conservazione ed utilizzo delle risorse genetiche e, più in particolare, per la certificazione di aree ad alto valore conservazionistico - disponibilità di strumenti per la tracciabilità dei prodotti legnosi per combattere la deforestazione illegale e di strumenti per l' eco-certificazione come base per un'utilizzazione sostenibile dei prodotti forestali - pubblicazioni scientifiche in riviste internazionali ISI I risultati di questa commessa saranno particolarmente utili per l'implementazione delle direttive EU sul materiale riproduttivo forestale, sull'uso e la conservazione delle risorse genetiche, sulla gestione delle foreste e la definizione di linee guida per i rimboschimenti, l'uso sostenibile e la conservazione della biodiversità, da inquadrare anche nel contesto del Programma Pan-Europeo di Protezione delle Foreste. Più in particolare saranno: - prodotte mappe del livello e della distribuzione della variabilità genetica neutrale e adattativa da usare per la definizione di programmi di conservazione della biodiversità e per monitorare l'evoluzione della diversità nel tempo - sviluppati (o adattati) modelli che simulano la dinamica evolutiva di breve periodo (poche generazioni) di popolazioni naturali forestali sottoposte a differenti scenari climatici - identificate regioni geneticamente omogenee, sulla base delle quali disegnare programmi di conservazione delle risorse genetiche e sviluppare metodi per tracciare e certificare l'origine del materiale riproduttivo forestale - fornite informazioni utili per il miglioramento genetico di specie forestali In generale, si prevede di acquisire conoscenze sulla diversità genetica a livello di geni coinvolti nell'adattamento (principalmente alla fenologia, alla resistenza allo stress idrico, al fuoco) e quindi di fornire metodi innovativi per la conservazione, il miglioramento e l'utilizzazione delle risorse genetiche. Le conoscenze acquisite consentiranno di ottimizzare la gestione di aree protette, comprese le riserve naturali. Inoltre sarà possibile acquisire importanti informazioni riguardo alle strategie adattative di specie naturali forestali (sia in termini di adattamento alle nuove condizioni climatiche che di migrazione) in seguito a cambiamenti ambientali ed effettuare un maggiore controllo sull'origine del materiale di propagazione, riducendo il rischio legato all'utilizzazione di materiale non locale e quindi potenzialmente non adatto. (literal)
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