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BIOTECNOLOGIE
e
PRODUZIONI ANIMALIProf. Martino Cassandromartino.cassandro @ unipd.it
http://www.agraria.unipd.it
Università di Padova
Facoltà di Agraria
Agripolis
http://147.162.137.15/cassandro/index.htm
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|___Attività Didattica 2002-2003
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|___ LEZIONE_BIOTEC_ANIMALI
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PROGRAMMA SEMINARIO:
1) Biotecnologie e Produzioni Animali
Prof. Martino Cassandro - martino.cassandro@unipd.it
2) Marcatori Genetici e Produzioni Animali
Dott.ssa Chiara Targhetta - chiara.targhetta@unipd.it
3) Biotecnologie & Biodiversità-Cnservaizone Animale
Dott. Massimo De Marchi -massimo.demarchi@unipd.it
Le BIOTECNOLOGIE in senso stretto sono nate poco più di vent'anni fa ma trovano le loro basi nelle fondamentali scoperte di tre geniali precursori della ricerca biologica moderna.
I grandi precursori della ricerca biotecnologica:ANNO RICERCATORE SCOPERTA BIOTEC. MODERNE
1779 Lazzaro Spallanzani Inseminazione strumentale Biotec. riproduttive
1861-85 Louis Pasteur Batteriologia e vaccinazioni Biotec. microbiche
1865 Gregorio Mendel Leggi basilari della genetica Biotec. genomiche
Due secoli dopo Spallanzani ed un secolo dopo Pasteur eMendel, le biotecnologie cominciano ad evidenziare il loro incredibile potenziale anche nella vita quotidiana.
APPLICAZIONI BIOTECNOLOGICHE NEI VARI SETTORI
DELL'ATTIVITÀ UMANA:SETTORE APPLICAZIONE
AGRICOLTURA Piante transgeniche, biopesticidi
ALIMENTAZIONE ANIMALE Probiotici, ormoni, inoculi per insilati
GENETICA ANIMALE Animali transgenici, marcatori genetici, diagnosi anomalie
RIPRODUZIONE ANIMALE Micromanipolazioni di gameti e zigoti
VETERINARIA Vaccini, interferone, diagnosi precoce delle malattie
AMBIENTE Biorisanamento, trattamento rifiuti e acque
BIOINDUSTRIA Enzimi, oli, etanolo, metano
BIOSTRUMENTAZIONE Biosensori, biosintetizzatori di sostanze
ALIMENTAZIONE UMANA Aminoacidi, aromi, additivi, vitamine
FARMACEUTICA Antibiotici, insulina, altri farmaci, vaccini
MEDICINA Diagnostica, terapia dei tumori
GENETICA UMANA Diagnosi delle anomalie, terapia genica
CHIRURGIA Cute artificiale, organi per xenotrapianti
BIOTECNOLOGIE
Insieme di scienze applicate (biologia,
microbiologia, genetica molecolare) ai processi di produzione di sostanze utili per l’uomo, realizzate con organismi viventi o loro parti.
Non esiste quindi un BIOTECNOLOGO ma un POOL di ESPERTI in BIOTECNOLOGIE
BIOTECNOLOGIE APPLICATE:
Nel settore zootecnico-veterinario:
1) SANITA’ e BENESSERE ANIMALE (diagnostica molecolare delle patologie ereditarie, vaccini)
2) RIPRODUZIONE (FA, ET, sessaggio, IVF, IVM, clonaggio, ecc.)
3) PRODUZIONI ANIMALI (alimentazione e genetica)
1) BIOTEC & SANITA’ - BENESSERE ANIMALE
Diagnostica molecolare di patologie ereditarie
dovute a mutazioni di single gene:
- PSS-MH sindrome da stress suina (gene dell’Alotano)
- BLAD (2%o dei nati Frisoni) > freq. infezioni batteriche
- TSE (encefalopatie spongiformi traszmissibili es.BSE,Scrapie)
- WEAVER (Brown) Mioencefalopatia degenerativa progressiva. FA ha aum. la diffusione.
Soggetti con >>IGTL ma con degenerazioni terminazioninervose periferiche <<coord. treno post.
2) BIOTEC & RIPRODUZIONE
- FA Inseminazione artificiale
- ET o Embryo transfer
- DETERMINAZIONE DEL SESSO (citofluorimetria a flusso in base al maggior contenuto di DNA)
- IVM e IVF: fecondazione e maturazione degli oociti in vitro
- CRIOCONSERVAZIONE pratica biotecn. per preservare nel tempo embrioni., materiale seminale ed oociti.
- TRANSGENESI: Es. nel salmone la resistena al gelograzie alla produzione di proteine antigel. Xenotrapianti trasferimento di geni umani in suini per evitare rigetto di organi trapiantati.
3) BIOTEC & PRODUZIONI ANIMALI (ALIMENTAZIONE)
Produzione di AA essenziali (lisina, treonina, triptofano) da fermentazione
Produzione di enzimi quali fitasi,cellulasi per migliorare la digeribilità e la disponibilità del fosforo e di fibre nelle diete per mono- e poligastrici.
Piante con maggior contenuto di proteine ruminali indegradate.
L’uso del rbST per aum. produzione di latte
3) BIOTEC & PRODUZIONI ANIMALI (GEN.)
Genotipizzazione di polimorfismi proteici (K-caseina)
Esempio Frequenze geniche e genotipiche della k caseina in bovini:
Freq geniche FRISONA BRUNA REGGIANA MODENESE
A 75 56 53 50
B 25 44 47 50
Freq genotipiche
AA 57 33 28 26
AB 37 45 51 50
BB 6 22 21 24
GENETICA è la scienza che studia la
eredità dei caratteri
L’eredità dei caratteri è controllata da GENI
ossia da porzioni di DNA
DNA AcidoDeossiriboNucleico, costituito da due catene complementari dinucleotidi (Base azotata + PO-
4 + Zucchero)
GENOMA l’insieme del materiale genetico (DNA) di un individuo che contiene l’infor-mazione necessaria per la nascita, lo sviluppo e il mantenimento degli organismi viventi
DNA-Doppia elicaDNA-Doppia elica
CROMOSOMI unità strutturali in cui si organizza il materiale genetico durante la divisione cellulare; si presentano a coppie di omologhi e il loro numero varia a seconda della specie
Numero di cromosomi (2n) nelle principali specie di interesse zootecnico e nell’uomo
Tacchino 80Pollo, Cane 78Cavallo 64Asino 62
Bovino 60
Pecora 54Uomo 46Coniglio 44Suino, Gatto 38Drosofila 8
Coppia di cromosomi
Durante la riproduzione i cromosomi vengono trasmessi tramite le cellule germinali al nuovo individuo – gli elementi che compongono ciascuna coppia derivano uno dal padre e l’altro dalla madre
dal padre dalla madre
Coppia di omologhi
GENE sequenza di DNA alla quale si può assegnare una funzione specifica
es. codifica per una proteina
Geni identificati nel genoma umano sono 35.000 – 40.000,
distribuiti lungo le 23 coppie di cromosomi
Nell’uomo, la porzione di genoma costituita dai geniè circa il 2% del DNA totale
Il rimanente 98% è costituito da sequenze non codificanti, molte delle quali (circa metà) sono
caratterizzate da ripetizioni (es. mini e microsatelliti)
LOCUS localizzazione genomica unica all’interno di un cromosoma; permette di definire la posizione di un gene o di una sequenza di DNA
ALLELE una delle varie forme alternative di un gene o di una sequenza di DNA in una specifica localizzazione cromosomica (locus)
Varianti allelicheResponsabili del
POLIMORFISMO del genoma
(VARIABILITÀ GENETICA)
PARTIZIONE DELLE OSSERVAZIONI
Ogni misura o osservazione su un animale è influenzata da una componente ambientale e genetica
L’obiettivo dei genetisti è di determinare la porzione genetica
Assumendo il seguente modello genetico si ha:
Osservazione Fenotipica = Effetto Genetico + Effetto Residuo
F = G + RG può essere suddiviso in 2 componenti:
- Additiva (GA)
- Non Additiva o di interazione (GI )
F = GA + GI + RSapendo che:
GI = rappresenta gli effetti di interazione trascurabili
Quindi il valore fenotipico (F) di un individuo può essere rappresentato dalla somma del:
F = GA + RIl quadrato di questa funzione è pari a :
F 2 = ( GA + R ) 2
Ossia
F 2 = GA 2 + 2* GA*R + R 2
Sostituendo il quadrato con la Varianza (misura statistica quadratica) si ha
VF = VGA + 2*CoV(GAR) + VR
La CoV (GAR) viene assunta trascurabile, pertanto pari a Zero
VF = VGA + VR
EREDITABILITA’
Misura quanta varianza fenotipica totale (VF ) è dovuta alla varianza genetica additiva (VGA )
h2 = VGA / VF
Il campo di variazione è compreso tra 0 ed 1
VF = VGA + VR
EREDITABILITA’
di alcuni caratteri quantitativi di interesse zootecnico
Caratteri Genetica Ambientale
Produttivi:
- Latte, grasso e proteina kg 30 70
- Grasso e proteina, % 40 60
Morfologici :
- Statura 40 60
Funzionali :
- Difficoltà di parto 10 90
- Mungibilità 15 85
Il Progresso Genetico di una popolazione animale sottoposta a selezione per un carattere quantitativo (come ad esempio la produzione di latte) è funzione di 4 fattori:
Accuratezza Intesità di selezione Variabilità genetica
Intervallo generazionale
(( r r ** ii ** σσgg ) ) ∆∆G = G = ------------------------------------------
NN
Andamento medio annuo del valore genetico medio dei tori frisoniitaliani per la produzione della quantità di proteina per lattazione (+2.6 kg/anno)
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90 92
Andamento medio annuo
VARIABILITÀ GENETICA
(Prot. Kg, -1,1 kg/anno)
0
5
10
15
20
25
30
80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
70 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90 92 94 96
Andamento medio annuo
della CONSANGUINEITA’
(+0.1%/anno)
Informazioni utilizzati in ITALIA e da INTERBULL (ITB) per la stima dei
valori genetici dei tori di razza FRISONA
ITALIA ITB
aderiscono 1 25 Paesi
oltre 3.600 60.000 tori
circa 1 mil. 30 mil. di vacche
quasi 12,5 mil. 100 mil. di lattazioni controllate
quasi 102 mil. 1.700 mil. rapporti parentela tra tori
3) BIOTEC & PRODUZIONI ANIMALI (GEN.)
Due recenti ed interessanti BIOTEC applicate allePRODUZIONI ANIMALI sono :
MAS = MARKER ASSISTE SELECTION
MAT = MARKER ASSISTED TRACEABILITY
3) BIOTEC & PRODUZIONI ANIMALI (GEN.)
Locus/ETL Effetto Razza
Somatotropina > Prod. Latte Holstein
Miostatina Doppia-Coscia Piemontese, BB
GMPOLL-1,2 Sviluppo corna Holstein
TGLA116 >Prod Latte/Weaver Brown
UWCA20 > tasso di ovulazione Holstein
SY Sindattilismo Holstein
GLNS Atrofia spinale muscolare Holstein
CONCLUSIONI
• 2003: telefonino + fax + videocamera combinati;
• 2006: materiali “intelligenti” (auto, confezioni alimentari);
• 2010: robot di interfaccia con impianti domestici;
Secondo i più accreditati futurologi nei prossimi 30 anni le principale scoperte riguarderanno (in giallo quelle checoinvolgeranno le produzioni animali):
• 2015: identificazione delle basi genetiche di tutte le malattie;
• 2017: discesa dell’uomo su Marte;
• 2022: gestazione in vitro di feti umani;
• 2025: interfaccia computer-cervello;
• 2030: organi biologici per trapianto e ibernazione;