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Stefano CASSANELLI
Ricercatore Universitario
Dipartimento di Scienze della Vita sede ex-Agraria
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Insegnamento: Tecnologie di evoluzione assistita in agricoltura e fertilità del suolo
Sostenibilita' integrata dei Sistemi Agricoli (Offerta formativa 2024)
Obiettivi formativi
Fornire conoscenze multidisciplinari sulle prestazioni di agricoltura sostenibile, determinate dalle nuove tecnologie di genetica, microbiologia e chimica del suolo.
Biotecnologie microbiche vegetali: fornire conoscenze sulla biodiversità dei microrganismi associati alle piante e presenti nel suolo e nella rizosfera, nonché nozioni sui metodi d’analisi delle comunità microbiche e del metagenoma. Saranno illustrate le funzioni dei microrganismi in relazione alla fertilità del suolo, all’interazione con le piante e ai cicli biogeochimici degli elementi. Particolare riguardo sarà dato alle proprietà funzionali di biotrasformazione delle biomasse vegetali, “bioremediation” dei suoli e trattamento delle acque reflue.
Gestione e fertilità chimica del suolo: fornire conoscenze di valutazione della fertilità dei suoli; biodisponibilità degli elementi nutritivi, disciplinari di produzione e sistemi decisionali. Apprendere tecnologie innovative di miglioramento delle fertilizzazioni dei suoli agrari e delle “cash crops”. Impatto ecosistemico della Circular Economy e dei nuovi regolamenti nazionali ed europei alla filiera agroindustriale.
Tecnologie genomiche e di modificazione genetica mirata: fornire le basi per analisi genomiche necessarie alla comprensione della struttura, organizzazione e funzione dei genomi nelle piante coltivate e della loro variabilità genetica intra e interspecifica, utile allo sviluppo di marcatori molecolari e all’individuazione di potenziali geni target funzionali sfruttabili nei programmi di miglioramento genetico per far fronte ai cambiamenti delle condizioni climatiche, alla qualità del suolo, alla pressione selettiva esercitata dai nuovi agenti patogeni.
Per il dettaglio degli obiettivi formativi dell'insegnamento si rimanda alla sezione relativa ai risultati di apprendimento attesi.
Prerequisiti
Lo studente deve aver competenze in Agronomia, Genetica, Biochimica e Biologia dei microrganismi.
Programma del corso
Biotecnologie microbiche vegetali
Rapporto Microorganismi-suolo (1 CFU): Biodiversità microbica nel suolo e nella rizosfera; contributi microbici nella formazione del suolo, nel mantenimento della fertilità biologica e nei cicli del carbonio e dell’azoto. Identificazione microbica e studio delle comunità microbiche ambientali; ecologia microbica e metodologie metagenomiche.
Associazioni microrganismi-pianta (CFU): spermosfera, rizosfera, fillosfera, biocenosi e simbiosi. La rizosfera e le comunità microbiche in essa presenti; meccanismi di "comunicazione" crociata tra le piante e i cosiddetti PGPR (Plant Growth Promoting Rhizobacteria) a livello di rizosfera nonché tra pianta ed endofiti. Tratti di selezione dei PGPR e applicazione degli inoculanti vegetali: competenza rizosferica, produzione di composti auxinici, chelazione del ferro, P solubilizzazione, produzione di batteriocine. PGPR endofiti facoltativi: Pseudomonas spp., Azospirillum spp. e Burkholderia spp. Biostimolanti e biofertilizzanti microbici per la fitostimolazione.
Trasformazione microbiche di biomasse vegetali (1 CFU): Applicazioni di microrganismi per la trasformazione di biomasse vegetali, compostaggio e microbioma metanogenico nel suolo e per la produzione di biogas dagli scarti vegetali. Cenni di “bioremediation” and trattamento acque reflue.
Gestione e fertilità chimica del suolo: Gli elementi nutritivi nel suolo ripercussioni sull’alimentazione umana, Sostenibilità e Circular Economy. Macroelementi, importanza e ripercussioni; Mesoelementi, importanza e ripercussioni; Microelementi importanza e ripercussioni; I metalli pesanti e contaminanti; I concimi cosa sono e come sono regolamentati – legge nazionale ed europea – come si legge un’etichetta di un fertilizzante Analisi del terreno come si leggono e come si approccia la concimazione (disciplinari regionali) Leggi Europee in ambito ambientale (NEC ZVN F2F) e impatto con la concimazione sostenibile: integrazione al terreno, fertirrigazione e fogliare, biostimolanti. Seminario con Case History: precision farming e utilizzo di sistemi a supporto decisionale (DSS).Si integrerà la parte in aula con una Visita ad azienda produttrice di fertilizzanti del territorio, Leader di mercato.
Tecnologie genomiche e di modificazione genetica mirata: integrazione delle risorse genomiche e fenomiche per il miglioramento genetico delle specie vegetali d'interesse agrario: principi di genomica funzionale e translazionale, introduzione alla selezione genetica assistita dai marcatori (MAS) e alla selezione genomica (GS) (1 CFU); applicazioni delle strategie di miglioramento genetico vegetale basate sulla manipolazione genetica di ultima generazione (NBTs): editing del genoma tramite nucleasi sito specifiche, mutagenesi di precisione diretta da oligonucleotidi, cisgenesi e transgenesi (0,5 CFU); modificazioni epigenetiche mediante metilazione del DNA RNA-dipendente, miglioramento genetico inverso (reverse breeding) (0,5 CFU); pangenomica applicata al miglioramento genetico (0,5 CFU); RNAi per la difesa contro stress abiotici e biotici (0,5 CFU).
Metodi didattici
L’insegnamento si suddivide in tre moduli, di 3 CFU cadauno, con lezioni frontali e integrate, nel caso del modulo di Gestione e fertilità chimica del suolo, con 1 visita ad una industria di fertilizzanti ed 1 seminario con esperti.
Le lezioni saranno in didattica frontale, in presenza, in italiano e con frequenza facoltativa.
Testi di riferimento
Per i tre moduli varrà il materiale proiettato dai docenti e reso disponibile agli studenti su piattaforme didattiche di Ateneo, gli appunti di lezione, gli articoli scientifici.
Verifica dell'apprendimento
Per ogni modulo, le competenze acquisite dallo studente e le sue capacità comunicative saranno valutate attraverso una prova orale della durata di circa 20-25 minuti, durante la quale saranno formulate tre domande inerenti a contenuti di base del corso con difficoltà di risposta crescente.
L’attribuzione del voto per ogni modulo è espressa in trentesimi con una soglia minima fissata in 18/30. Il voto finale sarà mediato sulle votazioni dei singoli moduli.
La mancanza di una conoscenza dei contenuti minimi del corso e/o l’incapacità di affrontare i quesiti proposti con una adeguata competenza linguistica tecnico-scientifica, determinerà una valutazione insufficiente della prova.
Il punteggio finale rifletterà in maniera progressiva il diverso raggiungimento delle conoscenze e delle abilità comunicative fissate dall’insegnamento così come segue:
18-20: conoscenza elementare dei temi proposti, sufficienti abilità espressive;
21-23: conoscenza di base priva di elementi di approfondimento; espressione non sempre appropriata;
24-26: conoscenza buona, elementi di approfondimento stimolati solo su richiesta ulteriore del docente con risposte non sempre complete e dettagliate;
27-29: conoscenze molto buone e soddisfacenti; abilità espressive e argomentazione adeguate e ben articolate in maniera autonoma;
30 e 30 e lode: conoscenze solide, complete e adeguate, applicazione critica nell’esposizione dei metodi e degli argomenti, abilità espressive mature con adozione di un linguaggio tecnico-scientifico sempre appropriato.
Risultati attesi
A. Conoscenza e capacità di comprensione: tramite le lezioni e le discussioni collegiali, lo studente apprenderà: 1) conoscenze relative alla composizione e alle funzioni metaboliche delle comunità microbiche associate al suolo e alle piante, nonché sull’utilizzo dei microrganismi per corretta gestione dei sistemi agricoli in termini efficienza, sostenibilità ambientale e promozione della salute umana; 2) conoscenze necessarie alla comprensione dei processi che si instaurano tra suolo e pianta e la funzione fisiologica dei nutrienti, anche da un punto di vista legislativo; 3) conoscenze relative svolgimento delle analisi genomiche di base di tipo strutturale, funzionale e comparativo per la realizzazione di piani di miglioramento genetico avanzato MAS, GS e NBTs.
B. Capacità di applicare conoscenza e comprensione: i casi studio proposti consentiranno allo studente di: 1) poter approcciare le principali metodiche di sviluppo e selezione di inoculanti PGPR, nonché le metodiche di studio di comunità microbiche in sistemi agricoli; 2) poter approcciare da un punto di vista pratico le problematiche della produzione sostenibile delle colture agricole e dell’interazione con l’economia circolare della filiera agro-alimentale; 3) pianificare e realizzare piani di miglioramento genetico vegetale che sfruttano la variabilità genetica naturale o introdotta artificialmente.
C. Autonomia di giudizio: lo studente sarà in grado di: 1) formulare autonomamente giudizi e proposte progettuali per la gestione sostenibile degli ecosistemi microbici nei suoli e nella rizosfera e l’uso dei microrganismi nella biotrasformazione delle biomasse vegetali, nella “bioremediation” e nel trattamento delle acque reflue; 2) comprendere e valutare criticamente la gestione dei nutrienti nel suolo per creare piani di fertilizzazione sostenibile e a basso impatto ambientale; 3) individuare il programma di miglioramento genetico più adeguato all’idiotipo prefissato in funzione delle informazioni fenotipiche e genotipiche disponibili.
D. Abilità comunicative: Attraverso l’esposizione in aula di casi studio, lo studente acquisirà la capacità di esporre un problema scientifico, individuandone i punti critici; di descrivere dati e interpretare i risultati in modo efficace e conciso; di formulare i concetti appresi con linguaggio appropriato e di sostenere una discussione in merito agli argomenti trattati.
E. Capacità di apprendimento: Le attività̀ descritte consentono allo studente di acquisire gli strumenti metodologici per l’accesso ad un ulteriore livello di formazione (master, dottorato di ricerca) e per lo sviluppo e l’organizzazione di percorsi di autoapprendimento che consentono l’aggiornamento e la formazione professionale permanente per il percorso lavorativo futuro.