LABORATORIO 5: PLANTCELLPROP

La propagazione in vitro di organismi vegetali (micropropagazione) permette di rigenerare un individuo completo a partire da cellule o tessuti differenziati. Attraverso tale tecnica, oltre a poter operare studi di ricerca di base in condizioni controllate e a garantire la conservazione del germoplasma, è possibile ottenere individui genotipicamente e fenotipicamente identici alla pianta madre che, superata la fase di acclimatazione, possono essere trasferiti in terra o coltura fuori suolo. La micropropagazione trova un grande impiego nel settore orto e florovivaistico, nella produzione di portainnesti, in studi di miglioramento genetico, nel risanamento da virus e da patogeni. Inoltre, le colture cellulari e tissutali offrono interessanti potenzialità per la produzione di metaboliti di interesse farmaceutico, industriale, alimentare ed agrario.

La pressione antropica e i cambiamenti climatici stanno mettendo a rischio l’esistenza di numerose specie vegetali, alcune spesso poco conosciute ma di estrema importanza per il mantenimento delle catene alimentari dei diversi ambienti. Per evitarne l’estinzione occorre procedere a programmi di riproduzione e coltivazione ex-situ, cioè al di fuori del loro ambiente naturale, in modo da conservare materiale genetico vitale di entità fortemente a rischio, che potranno successivamente essere reintrodotte nelle aree oggetto di interventi di ripristino ambientale. Attraverso tecniche di micropropagazione in vitro è possibile creare una collezione di germoplasma vitale tipico della zona.

Il laboratorio PlantCellProp possiede comprovate competenze nel settore della micro-propagazione del germoplasma di piante da frutto e ortive e ornamentali. I ricercatori del PlantCellProp studiano inoltre colture di microalghe per utilizzi applicativi in programmi di risanamento ambientale e per la produzione di biomassa e collaborano con gruppi di ricerca italiani e stranieri, in un’ottica interdisciplinare che vede il coinvolgimento di agronomi, fisiologi, biologi molecolari e di figure professionali che operano nel settore ambientale.

Le principali linee di ricerca riguardano:

1) la coltura di microalghe finalizzata alla produzione di biomassa e per progetti di risanamento ambientale (raffinazione delle acque di sentina delle petroliere e trattamento delle acque marine inquinate con idrocarburi);

2) la coltura di microalghe finalizzata all’estrazione di molecole ad alto valore aggiunto come acidi grassi, pigmenti e metaboliti con attività farmacologica;

3) l’esplorazione e le interazioni dei meccanismi di crescita dei frutti, in particolare l’influenza esercitata da alcuni fitormoni (auxine e gibberelline) su tale sviluppo;

4) la valorizzazione del germoplasma viticolo toscano con l’obiettivo di utilizzare specifici vitigni per la produzione di vini richiesti dai nuovi mercati. In particolare vengono studiate le interazioni tra tecniche colturali e caratteristiche qualitative ed aromatiche delle uve in vigneto;

5) la messa punto di metodologie attendibili, tra le quali figura l’identificazione dei vitigni nei vini attraverso l’utilizzo dei marcatori molecolari a DNA;

6) la ricerca del germoplasma spontaneo, la caratterizzazione genetica, vegeto-produttiva e compositiva (potere antiossidante, amaricante e profilo aromatico), lo studio della tecnica di propagazione e del sistema di allevamento del luppolo (Humulus lupulus), essendo deficitaria, nel nostro paese, la produzione di questo ingrediente;

7) la valutazione fisico–chimica della qualità dei frutti di particolari genotipi di diverse specie frutticole (melo, pesco, actinidia, susino, albicocco) coltivate nel nostro territorio e la comparazione tra coltivazione biologica e convenzionale, al fine di determinare l’influenza del tipo di conduzione sul profilo qualitativo;

8) la creazione e la validazione di un modello feno-climatico previsionale della data di schiusura delle gemme a fiore, in funzione delle soglie di risposta alle temperature efficaci per l’uscita dall’endodormienza. Il modello che dovrà essere fisiologicamente realistico e applicabile su larga scala, rappresenterà uno strumento valido per lo studio dell’adattamento varietale nel contesto di scenari climatici futuri.

Unità di Ricerca afferenti al laboratorio PlantCellProp

UR Micropropagazione delle specie legnose

UR Micropropagazione delle specie ortofloricole

UR Micropropagazione Genetica Agraria

UR Analisi e Ricerca sulle Sementi

UR Micropropagazione delle specie legnose

L’UR micropropagazione delle specie legnose si occupa dagli anni 70 di colture di tessuti di specie arboree da frutto e ornamentali. L’attività di ricerca negli anni si è concentrata in particolare sulle indagini eco-fisiologiche dell’analisi delle variabili chimico-fisiche e biologiche che caratterizzano il micro-ambiente nei sistemi chiusi tipici delle colture in vitro sia quelli della fase di ambientamento post vitro. Per quanto riguarda l’attività le tematiche affrontate possono essere così riassunte:

  • Micropropagazione e tecnologie per l’aumento dell’efficienza propagativa di specie legnose.
  • Effetto della qualità e quantità della radiazione luminosa e del fotoperiodo in cella di crescita sulle diverse fasi della micropropagazione.
  • Arricchimento artificiale dell’anidride carbonica all’interno dei vasi di coltura in vitro.
  • Allestimento di colture in vitro per il recupero di specie da frutto o ornamentali a rischio di estinzione.
  • Moltiplicazione del germoplasma di specie arboree da frutto a rischio di estinzione di interesse regionale e di specie ornamentali da individui senescenti di particolare pregio estetico o storico.
  • Allestimento di sistemi colturali in vitro di specie arboree ornamentali e di portinnesti delle specie da frutto.
  • Screening in vitro e induzione di variazioni somaclonali per la resistenza a stress abiotici in specie arboree.
  • Miglioramento dell’efficienza della fase di ambientamento post vitro in colture arboree da frutto e ornamentali.
  • Micorrizzazione in vitro di specie di interesse agrario, ornamentale e forestale.

Metodologie applicate:

  • allestimento e sterilizzazione di nuove colture in vitro da materiale in vivo;
  • moltiplicazione da gemme preformate (apici, meristemi, gemme laterali) e rigenerazione avventizia;
  • embriogenesi somatica;
  • colture cellulari;
  • inoculazione in vitro e in vivo con simbionti micorrizici;
  • predisposizione di protocolli e substrati di moltiplicazione in vitro;
  • ambientamento in ambiente controllato.

UR Micropropagazione delle specie ortofloricole

L’UR micropropagazione delle specie ortofloricole si occupa dagli anni 70 di colture di tessuti di specie ortofloricole. L’attività di ricerca negli ultimi anni si è caratterizzata in particolare per indagini eco-fisiologiche basate sull’analisi delle variabili chimico-fisiche che caratterizzano il micro-ambiente nei sistemi chiusi tipici delle colture in vitro. Per quanto riguarda l’attività le tematiche affrontate possono essere così riassunte:

  • Micropropagazione e tecnologie per l’aumento dell’efficienza propagativa di specie ortofloricole;
  • Allestimento di colture in vitro virus-esenti per il risanamento di specie ortive.
  • Conservazione del germoplasma di specie ortofloricole di interesse regionale e di specie spontanee a rischio di estinzione comprese le specie idrofite tipiche degli ambienti palustri;
  • Allestimento di sistemi colturali in vitro di specie medicinali ed aromatiche per la produzione di metaboliti secondari.
  • Screening in vitro per la resistenza a stress abiotici in specie ortofloricole e valutazione della risposta a livello genetico ed epigenetico.

Metodologie applicate:

  • moltiplicazione da gemme preformate (apici, meristemi, gemme laterali) e rigenerazione avventizia;
  • embriogenesi somatica;
  • colture cellulari;
  • costituzione di semi sintetici;
  • colture in bioreattori (sistemi ad immersione temporanea, microfloating);
  • colture in sistemi microponici (colture miste vivo/vitro, colture sterili su substrati inerti).

UR Analisi e Ricerca sulle Sementi

L’UR Analisi e Ricerca sulle Sementi (Laboratorio di Ricerca ed Analisi sulle Sementi, LaRAS) svolge attività di certificazione sulla qualità e la rispondenza alle norme per il commercio e l’uso delle sementi. Il LaRAS è stato fondato nell’Anno Accademico 1923/24 dal Prof. Napoleone Passerini e dal Prof. Enrico Avanzi, presso la cattedra di Agronomia e Agricoltura dell’ Istituto Superiore Agrario dell’Università di Pisa, con lo scopo di “fornire un servizio di accertamento della qualità dei semi al fine di proteggere e promuovere la produzione del seme di qualità, il commercio nazionale ed internazionale delle sementi, gli agricoltori produttori di seme ed i suoi utilizzatori”.

Dal 1924 il LaRAS è stato autorizzato dal Ministero delle Politiche Agricole, Alimentari e Forestali al rilascio dei Certificati nazionali sulle sementi. Nello stesso anno, il LaRAS è stato laboratorio accreditato dall’International Seed Testing Association (ISTA) ed autorizzato al rilascio dei Certificati Internazionali di Analisi. Dal 2000 il LaRAS ha istallato il Sistema di Qualità ed opera secondo gli Standard ISTA per l’accreditamento dei laboratori.

Il LaRAS svolge attualmente le seguenti attività:

  • analisi e controllo delle sementi
  • ricerca sulla eco-fisiologia del seme
  • sviluppo di metodiche analitiche e di trattamenti per migliorare la qualità delle sementi
  • ricerca agronomica su ecotipi locali di specie di interesse agrario
  • servizi a supporto alla ricerca, alla costituzione e moltiplicazione varietale ed alla certificazione di filiera
  • didattica nell’ambito dei Corsi di Laurea e di Laurea Magistrale delle Scienze Agrarie e delle Scienze Erboristiche
  • tirocini, tesi di laurea e di dottorato

Collezione di semi

Presso il LaRAS è presente una importante collezione dei semi di riferimento la quale risale agli inizi del 1900. La maggior parte degli esemplari di seme è stata raccolta durante il periodo in cui fu Direttore il Prof. Enrico Avanzi, che ha proceduto alla totale verifica delle denominazioni specifiche degli esemplari della collezione. Successive “accessioni” sono avvenute dopo accurati controlli tassonomici. La collezione è organizzata per famiglie botaniche ed è costituita di esemplari di seme identificati con nomi scientifici (stabilizzati dall’ IPNI (International Plant Names Index), periodicamente aggiornati attraverso la consultazione del data base dell’IPNI. Ciascun esemplare, inoltre, viene accompagnato da altre indicazioni identificative quali sinonimi, luogo e data di provenienza, da chi e quando l’esemplare è stato inserito nella collezione. Ad oggi sono presenti circa 900 campioni suddivisi in 34 famiglie.

 

Attività

Il controllo delle sementi è finalizzato a verificarne il valore qualitative e la rispondenza alle norme sulla certificazione, il commercio e l’uso. A questo il LaRAS è ufficialmente autorizzato (Art. 27, DPR 1065/1973).

L’attività riguarda le sementi di specie cerealicole, industriali, foraggere, orticole, floricole e officinali prodotte sul territorio nazionale.

L’attività è svolta su richiesta di ditte, agricoltori moltiplicatori, aziende agricole single e/o associate.

 

Analisi

Le analisi più frequentemente effettuate presso il LaRAS sono quelle volte ad accertare la purezza specifica, la germinabilità, la presenza di semi estranei (per es. cuscuta) e l’umidità del seme, per i quali esistono specifiche prescrizioni di legge. Vengono svolte inoltre analisi biometriche sulle sementi (peso 1000 semi, peso ettolitrico, calibro)

Altre determinazioni sono effettuate per valutare ulteriori aspetti della qualità dei lotti, quali ad es. il vigore del seme (cold test, prova di conduttività, prove di invecchiamento accelerato). Questi test forniscono utili indicazioni sul valore di impianto in una larga gamma di condizioni ambientali e/o sulla idoneità alla conservazione del lotto di seme.

Altri servizi riguardano il supporto alla ricerca, alla costituzione e moltiplicazione varietale ed alla certificazione di filiera mediante selezione meccanica di piccoli lotti di seme, analisi a supporto della costituzione e dell’accertamento varietale e su prodotti derivati).

Servizi analitici sulle sementi sono offerti da altre unità del Dipartimento di Scienze Agrarie, Alimentari e Agro-ambientali (DiSAAA-a) quali analisi sanitarie sulle sementi per l’identificazione di patogeni fungini tramite tecniche tradizionali e molecolari; identificazione di insetti fitofagi delle sementi e delle derrate agrarie.

Dal 2005 il LaRAS ha affrontato lo studio delle problematiche relative al recupero ed alla conservazione delle varietà locali sia a livello nazionale che regionale. Particolare attenzione viene dedicata alla produzione del seme ai fini della costituzione e moltiplicazione varietale, preservando le stesse da possibili inquinamenti genetici. Le risorse vegetali salvaguardate (circa 60 varietà locali) sono adeguatamente conservate presso il LaRAS che è divenuto dall’autunno 2008 una Sezione della Banca Regionale del Germoplasma della Regione Toscana, portando avanti una serie di progetti relative al mantenimento, salvaguardia e valorizzazione della biodiversità vegetale.

Costituzione e mantenimento di varietà

Fin dalla sua costituzione il LaRAS ha svolto e svolge una importante attività di costituzione e mantenimento di varietà di specie di interesse agrario.

Linee di ricerca in atto presso il LaRAS:

I ricercatori del LaRas hanno in corso alcuni progetti di ricerca che riguardano i seguenti aspetti:

  • Banca Regionale del germoplasma: conservazione e riproduzione di circa 60 varietà locali. Studio della diversità a livello fenotipico per definire la distinguibilità, l’uniformità, la stabilità delle varietà e accessioni erbacee tramite descrittori specifici
  • Ecofisiologia della germinazione di specie coltivate ed infestanti
  • Valutazione quanti-qualitativa dei semi delle malerbe per l’impostazione di strategie di controllo ecocompatibile
  • Problematiche di dormienza di specie di interesse aromatico ed officinale e usi diversi
  • Valutazione agronomica di ecotipi locali di specie di interesse agrario quali ad es. leguminose da granella, pomodoro, mais e cereali autunno-vernini e officinali.
  • Studio dei mezzi di propagazione su diverse specie tipiche spontanee, spesso a rischio di estinzione, per poter attuare una strategia di conservazione delle risorse genetiche esistenti e riqualificare quegli habitat dove la biodiversità è fortemente minacciata.
  • Supporto alla costituzione e moltiplicazione varietale ed alla certificazione di filiera