Biotecnologie Agro-Alimentari e Industriali

Tipologia

Discipline biotecnologiche con finalità specifiche: biologiche e industriali

SSD

BIO/04

Anno

N/D

Semestre

N/D

CFU

6

Distribuzione delle ore

40 classroom hours, 12 laboratory hours

Docenti

SIMONE FERRARI

Tipologia

Attività formative affini o integrative

SSD

BIO/04

Anno

N/D

Semestre

N/D

CFU

6

Distribuzione delle ore

40 classroom hours, 12 laboratory hours

Docenti

Mario TAVAZZA

Obiettivi generali
L’obiettivo del corso è fornire conoscenze sui principali processi fisiologici e metabolici delle pianta e
sull’utilizzo di approcci biotecnologici relativi alla crescita gli organismi vegetali, alla loro interazione
con l’ambiente e al loro potenziale uso in ambito applicativo
Il corso di sviluppa in due moduli.
Modulo I : Fisiologia e biochimica vegetale. Lo scopo di questo modulo è fornire conoscenze di base per
comprendere le basi fisiologiche e metaboliche della crescita e dello sviluppo delle piante. In particolare,
lo studente apprenderà i principali processi fisiologici della pianta e la complessità del metabolismo
vegetale e della sua compartimentalizzazione tissutale, cellulare e subcellulare e comprenderà
l'interdipendenza tra struttura e funzione. Lo studente acquisirà le ultime conoscenze sul metabolismo
delle piante in una visione integrata.
Modulo II : “Biotecnologie vegetali”. Il modulo si propone di approfondire le conoscenze sugli aspetti
molecolari e cellulari della biologia vegetale, sull'analisi dell'organizzazione, regolazione ed espressione
del genoma, sulle metodologie biotecnologiche avanzate quali l'ingegneria metabolica. Inoltre verranno
analizzate le complesse interazioni della pianta con l’ambiente, e l'utilizzo delle biotecnologie sistemi
vegetali modello e in specie di interesse agrario, allo scopo di migliorarne e/o modificarne il
comportamento e le capacità produttive, sia in termini qualitativi che quantitativi.

Obiettivi specifici
A) Conoscenze e capacità di comprensione
Gli studenti che abbiano superato il modulo di Fisiologia e biochimica vegetale
-avranno acquisito una visione di base e integrata della biologia vegetale
- sapranno comprendere il metabolismo vegetale e delle sue modificazioni durante lo sviluppo e delle
interazioni della pianta con l’ambiente circostante.
-avranno acquisito le basi culturali per comprendere in termini molecolari le relazioni fisiologiche tra la
pianta e il suo ecosistema
Gli studenti che abbiano superato il modulo di Biotecnologie vegetali
- avranno acquisito conoscenze approfondite negli aspetti molecolari e cellulari del funzionamento dei
sistemi vegetali, includendo in questo sistema le complesse interazioni delle piante con l’ambiente e con
microrganismi patogeni.
-avranno competenze sui processi biotecnologici per le produzioni agroindustriali e alimentari, per la
trasformazione dei prodotti vegetali non alimentari, per il controllo della qualità dell’ambiente, per lo
sviluppo, la riproduzione e il miglioramento genetico delle piante.

B) Capacità di applicare conoscenza e comprensione
- Capacità applicare le conoscenze per la scelta di strategie analitiche per studiare il metabolismo
vegetale.
- Capacità di applicare le conoscenze e gli strumenti acquisiti per sviluppare competenze nella
comprensione delle relazioni tra strutture e funzioni dei principali processi fisiologici alla base dello vita e
dello sviluppo delle piante e della loro interazione con l’ambiente.
- Capacità di applicare le conoscenze di base e sperimentali acquisite sulle tecniche biotecnologiche nella
produzione di beni e servizi agroindustriali utilizzando sistemi vegetali.

C) Autonomia di giudizio
- capacità di comprendere e risolvere in modo autonomo problemi scientifici inerenti la fisiologia della
pianta e la sua interazione con l’ambiente.
- Capacità di valutare e interpretare in modo autonomo dati sperimentali per lo studio della fisiologia e
della biochimica vegetale.
D) Abilità comunicative
- Acquisizione di adeguata terminologia nella comunicazione dei contenuti della disciplina.
- Acquisizione di competenze e strumenti utili per la comunicazione e la divulgazione delle conoscenze
acquisite e dei risultati delle attività pratiche svolte durante il percorso di studio.
- Capacità di comunicare le competenze acquisite alle parti interessate, inclusi operatori nel settore
agricolo e responsabili di enti di ricerca pubblici e privati di settore.
E) Capacità di apprendimento
- Capacità autonoma di approfondimento di delle informazioni scientifiche di base e conoscenze tecniche
di base nell’ambito delle fisiologia vegetale e biotecnologie vegetali.
- Capacità di apprendere strumenti conoscitivi e metodo scientifico tipici della attività di un biologo che
opera nel campo della biologia vegetale e delle biotecnologie vegetali .
-Capacità di acquisire gli strumenti che favoriscono il costante aggiornamento delle conoscenze sui
meccanismi fisiologici e molecolari correlati con lo sviluppo delle piante e della loro interazione con
l’ambiente.

A) Conoscenze e capacità di comprensione

Gli studenti che abbiano superato il modulo di Fisiologia e biochimica vegetale
-avranno acquisito una visione di base e integrata della biologia vegetale
- sapranno comprendere il metabolismo vegetale e delle sue modificazioni durante lo sviluppo e delle interazioni della pianta con l’ambiente circostante.
-avranno acquisito le basi culturali per comprendere in termini molecolari le relazioni fisiologiche tra la pianta e il suo ecosistema

Gli studenti che abbiano superato il modulo di Biotecnologie vegetali
- avranno acquisito conoscenze approfondite negli aspetti molecolari e cellulari del funzionamento dei sistemi vegetali, includendo in questo sistema le complesse interazioni delle piante con l’ambiente e con microrganismi patogeni.
-avranno competenze sui processi biotecnologici per le produzioni agroindustriali e alimentari, per la trasformazione dei prodotti vegetali non alimentari, per il controllo della qualità dell’ambiente, per lo sviluppo, la riproduzione e il miglioramento genetico delle piante.


B) Capacità di applicare conoscenza e comprensione

- Capacità applicare le conoscenze per la scelta di strategie analitiche per studiare il metabolismo vegetale.
- Capacità di applicare le conoscenze e gli strumenti acquisiti per sviluppare competenze nella comprensione delle relazioni tra strutture e funzioni dei principali processi fisiologici alla base dello vita e dello sviluppo delle piante e della loro interazione con l’ambiente.
- Capacità di applicare le conoscenze di base e sperimentali acquisite sulle tecniche biotecnologiche nella produzione di beni e servizi agroindustriali utilizzando sistemi vegetali.


C) Autonomia di giudizio-
- capacità di comprendere e risolvere in modo autonomo problemi scientifici inerenti la fisiologia della pianta e la sua interazione con l’ambiente.
- Capacità di valutare e interpretare in modo autonomo dati sperimentali per lo studio della fisiologia e della biochimica vegetale.

D) Abilità comunicative
- Acquisizione di adeguata terminologia nella comunicazione dei contenuti della disciplina.
- Acquisizione di competenze e strumenti utili per la comunicazione e la divulgazione delle conoscenze acquisite e dei risultati delle attività pratiche svolte durante il percorso di studio.
- Capacità di comunicare le competenze acquisite alle parti interessate, inclusi operatori nel settore agricolo e responsabili di enti di ricerca pubblici e privati di settore.

E) Capacità di apprendimento
- Capacità autonoma di approfondimento di delle informazioni scientifiche di base e conoscenze tecniche di base nell’ambito delle fisiologia vegetale e biotecnologie vegetali.
- Capacità di apprendere strumenti conoscitivi e metodo scientifico tipici della attività di un biologo che opera nel campo della biologia vegetale e delle biotecnologie vegetali .
-Capacità di acquisire gli strumenti che favoriscono il costante aggiornamento delle conoscenze sui meccanismi fisiologici e molecolari correlati con lo sviluppo delle piante e della loro interazione con l’ambiente.

Elementi di base di chimica (nozioni sul pH, equilibri chimici delle reazioni, potenziali) chimica organica (chimica degli zuccheri), di fisica (concetti di base sulla pressione, diffusione e sui principi della termodinamica) e di Chimica Biologica. Conoscenze di base di botanica, genetica, biologia molecolare e microbiologia.

Modulo: FISIOLOGIA E BIOCHIMICA VEGETALE
Modulo : Fisiologia e Biochimica vegetale:
Peculiarità funzionali della cellula vegetale. Reticolo endoplasmatico e sue differenziazioni. Il vacuolo: struttura e funzioni . I perossisomi. Gliossisomi, cenni sul metabolismo dei lipidi. β-ossidazione, ciclo del gliossilato. Corpi proteici. Oleosomi. I plastidi. Struttura e funzioni. Biogenesi dei plastidi.La parete cellulare vegetale. Composizione, struttura e funzioni e biogenesi. Biosintesi dei componenti di parete. I plasmodesmi: struttura e funzione. (8 ore)
Potenziale elettrochimico e potenziale idrico. Componenti del potenziale idrico. Metodi sperimentali per la misurazione del potenziale idrico e delle sue componenti. Il movimento dell'acqua nella pianta. Trasporto a lunga distanza. Pressione radicale, modello della coesione-tensione. Continuum suolo-pianta-atmosfera. Trasporto dell’acqua dal suolo alla radice. Struttura dello xilema. Trasporto dell’acqua alle foglie. Traspirazione e sua regolazione. Gli stomi: struttura e meccanismi di controllo dell’apertura e chiusura.(8 ore)
Sistemi di trasporto specifici: permeasi, canali, pompe protoniche. Movimento e trasporto degli ioni. Potenziale di Nerst. Natura del potenziale elettrico transmembrana. Trasporti passivi, facilitati ed attivi. Calcio compartimentazione, accumulo e sistemi di mobilizzazione.Nutrizione minerale delle piante. Piante e funghi simbionti: le micorrize. Metabolismo dell'azoto. Fissazione dell'azoto. Simbiosi leguminose-rhizobium. Assimilazione dell’azoto. (8 ore)
Fotosintesi. I pigmenti fotosintetici. Organizzazione spaziale e funzione dei fotosistemi. Trasporto di elettroni, accettori e donatori di elettroni. Trasporto di protoni e fotofosforilazione. Organizzazione spaziale dei complessi fotosintetici nelle membrane tilacoidali. Fotoinibizione. Ciclo di Calvin e sua regolazione. Fotorespirazione. Sistemi per concentrare la CO2 : Piante C4. Metabolismo acido delle crassulacee. Biosintesi del saccarosio e dell'amido e meccanismi di regolazione . La traslocazione nel floema. Anatomia del floema. Modello del flusso da pressione. Caratteristiche della traslocazione floematica: relazione sorgente-pozzo. Caricamento e scaricamento del floema. Ripartizione degli assimilati. Funzioni peculiari dei mitocondri vegetali. (8 ore)
Gli ormoni vegetali. Concetto di ormone e di sensibilità del tessuto. Auxine. Citochinine. Gibberelline. Acido abscissico. Etilene.Ruolo degli ormoni nelle piante a loro azione. Fotorecettori. Fotomorfogenesi, fototropismo ritmi circadiani e fioritura. Introduzione al metabolismo secondario ( 8 ore)

Laboratorio (12 h):
- estrazione DNA da piante
- genotipizzazione mutanti inserzionali

Modulo II : Biotecnologie vegetali

Produzione agricola, crescita demografica, ambiente e biotecnologie vegetali. Produzione alimentare in paesi sviluppati e in via di sviluppo. Le origini dell’agricoltura, centri di origine e domesticazione delle piante. Il miglioramento genetico delle piante: selezione artificiale, incrocio controllato, miglioramento per mutagenesi. (6 ore)

Colture in vitro di cellule e tessuti vegetali, colture di protoplasti, variabilità somaclonale. Rigenerazione della pianta, embriogenesi e organogenesi, ruolo degli ormoni. La micropropagazione. Piante geneticamente modificate: differenze tra miglioramento tradizionale e ingegneria genetica. (4 ore)
Richiami su espressione genica nelle piante. Arabidopsis thaliana come sistema modello per gli studi di genomica e post-genomica. Elementi per la costruzione di una cassetta di espressione: promotori costitutivi, inducibili e tessuto-specifici, terminatori, marcatori di selezione, geni reporter. Espressione transiente di geni. Trasformazione del cloroplasto. (6 ore)
Uso della modificazione genetica per la ricerca di base: studio della funzione dei geni mediante approcci di genetica diretta e inversa. Silenziamento genico. “Editing” del genoma. (4 ore)

Piante migliorate in caratteri agronomici e nutrizionali. Controllo della maturazione dei frutti.
Produzione di prodotti di importanza terapeutica nelle piante. Produzione di anticorpi e vaccini in pianta. (6 ore)

Rischio chimico: pesticidi, concimi. Lotta biologica e integrata. Miglioramento delle piante per la resistenza a patogeni (funghi, batteri, virus, insetti). Tolleranza agli erbicidi. Resistenza a stress ambientali. (6 ore)

Problematiche e possibili soluzioni connesse con la produzione di piante transgeniche: trasferimento genico orizzontale e resistenza agli antibiotici. Strategie per l'eliminazione del gene marcatore (6 ore)

Uso di biomasse vegetali per la produzione di biocombustibili. (2 ore)

Laboratorio (12 ore):
Trasformazione mediata da Agrobacterium tumefaciens
Saggio GUS



Modulo: BIOTECNOLOGIE VEGETALI
Peculiarità funzionali della cellula vegetale. Reticolo endoplasmatico e sue differenziazioni. Il vacuolo: struttura e funzioni . I perossisomi. Gliossisomi, cenni sul metabolismo dei lipidi. β-ossidazione, ciclo del gliossilato. Corpi proteici. Oleosomi. I plastidi. Struttura e funzioni. Biogenesi dei plastidi.La parete cellulare vegetale. Composizione, struttura e funzioni e biogenesi. Biosintesi dei componenti di parete. I plasmodesmi: struttura e funzione. (8 ore)
Potenziale elettrochimico e potenziale idrico. Componenti del potenziale idrico. Metodi sperimentali per la misurazione del potenziale idrico e delle sue componenti. Il movimento dell'acqua nella pianta. Trasporto a lunga distanza. Pressione radicale, modello della coesione-tensione. Continuum suolo-pianta-atmosfera. Trasporto dell’acqua dal suolo alla radice. Struttura dello xilema. Trasporto dell’acqua alle foglie. Traspirazione e sua regolazione. Gli stomi: struttura e meccanismi di controllo dell’apertura e chiusura.(8 ore)
Sistemi di trasporto specifici: permeasi, canali, pompe protoniche. Movimento e trasporto degli ioni. Potenziale di Nerst. Natura del potenziale elettrico transmembrana. Trasporti passivi, facilitati ed attivi. Calcio compartimentazione, accumulo e sistemi di mobilizzazione.Nutrizione minerale delle piante. Piante e funghi simbionti: le micorrize. Metabolismo dell'azoto. Fissazione dell'azoto. Simbiosi leguminose-rhizobium. Assimilazione dell’azoto. (8 ore)
Fotosintesi. I pigmenti fotosintetici. Organizzazione spaziale e funzione dei fotosistemi. Trasporto di elettroni, accettori e donatori di elettroni. Trasporto di protoni e fotofosforilazione. Organizzazione spaziale dei complessi fotosintetici nelle membrane tilacoidali. Fotoinibizione. Ciclo di Calvin e sua regolazione. Fotorespirazione. Sistemi per concentrare la CO2 : Piante C4. Metabolismo acido delle crassulacee. Biosintesi del saccarosio e dell'amido e meccanismi di regolazione . La traslocazione nel floema. Anatomia del floema. Modello del flusso da pressione. Caratteristiche della traslocazione floematica: relazione sorgente-pozzo. Caricamento e scaricamento del floema. Ripartizione degli assimilati. Funzioni peculiari dei mitocondri vegetali. (8 ore)
Gli ormoni vegetali. Concetto di ormone e di sensibilità del tessuto. Auxine. Citochinine. Gibberelline. Acido abscissico. Etilene.Ruolo degli ormoni nelle piante a loro azione. Fotorecettori. Fotomorfogenesi, fototropismo ritmi circadiani e fioritura. Introduzione al metabolismo secondario ( 8 ore)
Laboratorio:
- Isolamento e genotipizzazione di mutanti Arabidopsis (4 ore)
-Visualizzazione attività di costrutti reporter per ormoni in Arabidopsis (4 ore)
- Uso di trascrittomica per studiare le risposte delle piante agli stress (4 ore)

Modulo: FISIOLOGIA E BIOCHIMICA VEGETALE
Modulo I:
Fisiologia e sviluppo vegetale. Taiz - Møller - Murphy - Zeiger 2024.
Materiale di supporto didattico in https://elearning2.uniroma1.it/course/view.php?id=317




Modulo: BIOTECNOLOGIE VEGETALI
Biotecnologie e genomica delle piante. Rosa Rao, Antonietta Leone et al. Idelson-Gnocchi 2014.
Biotecnologie sostenibili. Massimo Galbiati et al. Edagricole 2017.
Materiale di supporto didattico in https://elearning2.uniroma1.it/course/view.php?id=317

Modulo: FISIOLOGIA E BIOCHIMICA VEGETALE
N/D
Modulo: BIOTECNOLOGIE VEGETALI
N/D

Il corso è strutturato in lezioni teoriche frontali. Le lezioni si svolgono settimanalmente in aula e l’esposizione avviene mediante l’utilizzo di diapositive su power-point e filmati.
Sono organizzate esercitazioni pratiche in laboratorio. Le tecniche sono presentate mediante l’utilizzo di di diapositive su power-point

La frequenza delle lezioni dell’insegnamento non è obbligatoria, ma è fortemente incoraggiata.

La prova d’esame ha l’obiettivo di verificare il livello di conoscenza ed approfondimento degli argomenti del programma dell’insegnamento e la capacità di ragionamento sviluppata dallo studente. La valutazione è espressa in trentesimi (voto minimo 18/30, voto massimo 30/30 con lode).
La valutazione consiste di una prova scritta con verifiche intermedie o orale. L’esame complessivamente consente di verificare il raggiungimento degli obiettivi in termini di conoscenze e competenze acquisite così come le abilità comunicative.

Quale tra le seguenti caratteristiche sono desiderabili per un marcatore molecolare da utilizzare per costruire una mappa genetica?
Quale è fenomeno fisiologico può permettere il movimento della linfa xilematica anche quando la traspirazione è ridotta?

Modulo: FISIOLOGIA E BIOCHIMICA VEGETALE

• Peculiarità della cellula vegetale. Parete Cellulare. Plastidi. 2, 6, 9 ottobre
  • Testi di riferimento: Maffei, Fisiologia e sviluppo vegetale. Capitolo 1 + materiale didattico


• Potenziale idrico. Trasporto idrico. Stomi.  16, 20, 23 ottobre
  • Testi di riferimento: Maffei, Fisiologia e sviluppo vegetale. Capitolo 5-6 + materiale didattico


• Potenziale elettrochimico, trasporto di membrana e nutrizione minerale. 27, 29 ottobre
  • Testi di riferimento: Maffei, Fisiologia e sviluppo vegetale. Capitolo 7-8 + materiale didattico


• Fotosintesi e floema. 10, 13, 17, 20 novembre
  • Testi di riferimento: Maffei, Fisiologia e sviluppo vegetale. Capitolo 9-12 + materiale didattico


• Trasduzione del segnale, fotorecettori, ormoni. Fisiologia dello sviluppo. 24, 27 novembre; 1, 4, 11, 15 dicembre
  • Testi di riferimento: Maffei, Fisiologia e sviluppo vegetale. Capitolo 4, 16, 18, 19 + materiale didattico


• Fisiologia del seme, fiore, frutto. 18, 22 dicembre
  • Testi di riferimento: Maffei, Fisiologia e sviluppo vegetale. Capitolo 17, 20, 21  + materiale didattico


• Esercitazioni: 1, 3, 10, 15, 17 dicembre (due turni)

• Genomi vegetali e miglioramento
  genetico. Lezioni 1-4 (2, 7, 9 e14 ottobre) 
  • Testi di riferimento: Biotecnologie e genomica delle piante. Rao & Leoni. 2014. Capitoli 1, 2.6, 2.7 e 14 + Materiale didattico


• Colture
  in vitro di tessuti vegetali e loro rigenerazione. Lezioni 5-6 (16 e 21
  ottobre) 
  • Testi di riferimento: Biotecnologie e genomica delle piante. Rao & Leoni. 2014. Capitolo 3 + Materiale didattico


• La
  trasformazione genetica delle piante. Lezioni 7-11 (23, 28, 30 e 31 ottobre; 6
  novembre) 
  • Testi di riferimento: Biotecnologie e genomica delle piante. Rao & Leoni. 2014. Capitolo 4 + Materiale didattico


• Tecnologie molecolari per la modifica e regolazione dei genomi vegetali. 
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  Lezioni 12-15 (11, 13,
  18 e 20 ottobre)
  • Testi di riferimento: Biotecnologie e genomica delle piante. Rao & Leoni. 2014. Capitolo 2.1; Biotecnologie sostenibili Galbiati et al. 2017. Capitolo 3 + Materiale didattico


• Applicazioni biotecnologiche in campo vegetale e agroindustriale. 
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  Lezioni
  16-20 (25 e 27 novembre; 2, 4, 11 dicembre) 
  • Testi di riferimento: Biotecnologie e genomica delle piante. Rao & Leoni. 2014. Capitolo 5, 6, 7, 8, 10; Biotecnologie sostenibili Galbiati et al. 2017. Capitolo 2 e 9 +
    
    Materiale didattico


• ESERCITAZIONI: 27 e 29 ottobre 12, 17, 19, 24 novembre  (due turni)