1. Dimensioni e organizzazioni dei genomi:
• I genomi procariotici ed eucariotici a confronto: il paradosso del valore C descritto attraverso vari esempi nell’ambito delle Angiosperme;
• Le forze che influenzano le dimensioni del genoma e meccanismi di espansione e contrazione (crossing-over ineguale; ricombinazione illegittima).

2. Tipi, numerosità e organizzazione di sequenze geniche e non-geniche nel cromosoma eucariotico:
a) Sequenze non-geniche
• sequenze altamente ripetute telomeriche, centromeriche e intercalari; micro- e mini-satelliti;
• elementi trasponibili (ET) negli Eucarioti: confronto con gli elementi IS dei Procarioti; classi di ET e relative modalità di trasposizione e abbondanza in vari genomi eucariotici: ET a DNA (es. Ac-Ds) e a RNA o retroelementi, con (retrotrasposoni) o senza LTR (es. Gypsy, Copia, Alu, SINEs, LINEs); effetto degli ET sulle dimensioni e struttura dei genomi eucariotici; amplificazione degli ET tramite crossing-over ineguale intra- e inter-elemento;
b) I geni eucariotici
• struttura fine e variabilità strutturale (es. numerosità e dimensione degli introni) tra vari taxa; il rimescolamento degli esoni e la creazione di nuovi geni;
• famiglie e super-famiglie geniche: duplicazione genica e divergenza (neo- e sub-funzionalizzazione): esempi della famiglia genica degli istoni, di famiglie di geni di resistenza nelle piante e della super-famiglia delle globine umane.

3. La compartimentalizzazione del genoma: organizzazione a mosaico (isocore) del genoma umano e dei genomi vegetali; regioni “gene-rich” e “gene-poor”; gli ET come principali componenti degli spazi intergenici; confronto tra mappe genetiche e fisiche: distribuzione non-omogenea della ricombinazione lungo il cromosoma eucariotico (“hot” e “cold” spot di ricombinazione e correlazione con la densità genica e la trascrizione).

4. Genomica comparativa:
• Micro- e macro-sintenia e colinearità intergenomica e interspecifica; il “circle diagram” dei genomi delle Graminacee; livelli di conservazione: cromosomi omeologhi e geni ortologhi;
• Riarrangiamenti cromosomici e interruzione della sintenia e colinearità: evidenze dalla mappatura comparativa e dal sequenziamento comparativo.

5. Evoluzione dei genomi vegetali e meccanismi adattativi, con particolare riferimento alla poliploidia; aggiustamenti rapidi del genoma dopo l’evento di poliploidizzazione: mantenimento o eliminazione dei geni/sequenze duplicati: vari esempi da poliploidi di Triticum neo-sintetizzati; silenziamento genico.

6. Epigenetica ed epigenomica: modificazioni della struttura della cromatina (chromatin remodelling) mediate da metilazione del DNA, metilazione/acetilazione degli istoni, il ruolo di molecole di RNA; cambiamenti epigenetici associati alla poliploidizzazione.

7. Manipolazioni dei genomi vegetali a fini applicativi
• Il significato e gli obiettivi delle manipolazioni ai fini del miglioramento genetico: l’utilizzazione della variabilità genetica al di fuori della specie “target”
• Dalla creazione di anfidiploidi a linee di addizione e sostituzione di singoli cromosomi al trasferimento interspecifico mirato di segmenti cromosomici (ingegneria cromosomica) in specie vegetali di rilevanza agraria: strategie e casi di studio, con particolare riferimento a specie di Triticeae (frumento e specie affini), Solanum spp., Medicago spp., complesso Lolium-Festuca.

- Materiale didattico (es. diapositive delle lezioni) e articoli scientifici forniti dal docente e reperibili sul sito istituzionale;
- Ulteriori articoli scientifici su richiesta degli studenti, sia per la preparazione della prova di esame, che per approfondimento di aspetti di specifico interesse individuale;
- Capitoli selezionati da:
- Barcaccia & Falcinelli – Genetica e genomica (Liguori ed.), vol. I, II e III;
- Hartwell et al. - Genetica - dall'analisi formale alla genomica (McGraw-Hill);
- Russell PJ - Genetica: un approccio molecolare (Pearson)

Il programma è diviso in tre moduli: 1) Genomica strutturale, 2) Bioinformatica: e 3) Genomica funzionale. 1) GENOMICA STRUTTURALE (10 ore di lezioni frontali) - Metodi di sequenziamento: 1) Sequenziamento di seconda generazione: ILLUMINA, Pyrosequencing (ROCHE 454), SOLiD; 2)Sequenziamento di terza generazione: HELICOS (Helicos Biosciences); PacBio (Pacific Biosciences); Nanopore (Oxoford Nanopore); 2) confronto tra sequenziamento di seconda e terza generazione; - Strategie di sequenziamento di genomi interi: metodo gerarchico e WHOLE GENOME SHOTGUN; - Annotazione genica; - Annotazione funzionale; - Progetti di sequenziamento di interi genomi di specie di interesse agrario. - Illustrazione dei principali database (NCBI, EMBL, DDBJ), ricerche in banche dati biologiche (BLAST), software per l’allineamento di sequenze e per il disegno di oligonucleotidi; 2) BIOINFORMATICA (8 ore di lezioni frontali) - Approcci bioinformatici all'analisi dei dati "omici": da R a Bash. 3) GENOMICA FUNZIONALE (12 ore di lezioni frontali) -Trasformazione genetica di specie coltivate. Trasformazione mediata da Agrobacterium o mediante metodo biolistico. Preparazione dei vettori plasmidici. - Studio della funzione genica in specie modello e di interesse agrario: sovraespressione e knock-out genico (RNA antisenso, RNA interference) in piante transgeniche; - Preparazione di costrutti per l'ottenimento di piante cis-geniche. - Mutagenesi chimica e TILLING; mutagenesi fisica con fasci di ioni e neutroni accelerati; mutagenesi inserzionale: T-DNA e trasposoni; - Applicazione della mutagenesi per studi funzionali e in programmi di miglioramento genetico. - Modificazioni geniche sito-specifiche. Metodi di “genome editing”: 1) nucleasi a dita di zinco (ZFN), 2) transcription activator-like effector nucleases (TALENs) e 3) brevi ripetizioni palindromiche interspaziate, regolarmente raggruppate (CRISPR/Cas) - Applicazione di metodi "genome editing" per il miglioramento genetico di specie di interesse agrario. Le esercitazioni verranno svolte in aula o in laboratorio e verteranno sulle seguenti tematiche: 1) Ricerca in banche dati di sequenze nucleotidiche e proteiche. Utilizzo di tool bioinformatici per aprire file di sequenze (DNAMAN, FINCH TV, GENEIOUS). Utilizzo dell'algoritmo BLAST per cercare nei database sequenze nucleotidiche o proteiche simili ad una sequenza nota. Allineamento di sequenze nucleotiche e ammino acidiche mediante i programmi CLUSTAL OMEGA e GENEIOUS. Costruzione di alberi filogenetici (2 h) 2) Identificazione di mutazioni di tipo SNP su geni di interesse mediante approccio TILLING in frumento duro (4 h) 3) Preparazione di costrutti per la trasformazione genetica mediante approccio cis-genico: inserimento della cassetta di trasformazione in un vettore batterico; trasformazione di cellule batteriche; estrazione e digestione con enzimi di restrizione del plasmide ricombinante (8 h) 4) Impiego di marcatori molecolari per selezionare linee transgeniche (4 h)

GENETICA un approccio molecolare. Quarta edizione Peter J. Russell Edizione italiana a cura di Carla Cicchini e Alessandra Marchetti ISBN:9788865186176 Biotecnologie e Genomica delle Piante. Rosa Rao e Antonietta Leone. Casa editrice IDELSON-GNOCCHI. Presentazioni Power Point e materiale fornito dal docente.