Chiara Tonelli

Chiara Tonelli is Vice-Rector for research and Professor of Genetics at the University of Milan, and leader of the group of Plant Molecular Genetics at the Department of Biosciences.

Current member of the European Molecular Biology Organisation (EMBO), and former member of various scientific committees and advisory boards in Italy and abroad. She currently sits in the evaluation panel of the European Research Council (ERC) for the allocation of Advanced Grants, and is a member of the Scientific Committee of the JPI European Programme "Healthy Diet for Healthy Life." Former member of the European Commission Advisory Group on "Food, Agriculture and Biotechnology." Current member of the board of the European Plant Science Organisation (EPSO). Former member of the Patents and Technological Transfer committee of the University of Milan, the Committee of Biology and Medicine of the National Research Council (CNR), and the Commission for Biosafety of the Ministry of the Environment. She has published over 100 articles on international scientific publications and led several projects sponsored by Italian agencies and the European Union. 

She cooperates as a reviewer with several scientific publications Molecular Cell, Molecular and Cellular Biology, EMBO Journal, Plant Cell, Plant Journal, Plant Molecular Biology) and research grant agencies (USDA, EMBO, TWAS, Human Frontier, ERC). Since 2005, she acts as the Secretary General of the international conference "The Future of Science," a series of conferences focused on science and the society which brings together leading experts from various disciplines, to present and discuss the impact of scientific development on the society. 

Her scientific interests range from the foundations of plant biology to biotechnological applications. Her studies focus on deciphering the logics behind transcriptional and gene regulation in plants, both during their development and in their interaction with the environment.

Chiara Tonelli è Prorettore alla Ricerca e professore di Genetica all’Università degli Studi di Milano, e leader del gruppo di Genetica Molecolare delle Piante presso il Dipartimento di Bioscienze.

È membro della European Molecular Biology Organisation (EMBO). Ha fatto parte di numerosi comitati e Advisory Board scientifici in Italia e all’estero. Attualmente è membro del panel di valutatori del Consiglio Europeo della Ricerca (ERC) per l’assegnazione degli Advanced Grants, e membro del Comitato Scientifico del Programma Europeo JPI "Healthy Diet for Healthy Life". Ha fatto parte dell’Advisory Group su "Food, Agriculture snd Biotechnology" della Commissione Europea. È membro del Consiglio dell' European Plant Science Organisation (EPSO). È stata membro del Comitato Brevetti e Trasferimento Tecnologico dell’Università degli Studi di Milano, del Comitato di Biologia e Medicina del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) e della Commissione per la Biosicurezza del Ministero dell’Ambiente. Ha pubblicato oltre 100 articoli su riviste scientifiche internazionali e ha guidato numerosi progetti finanziati da agenzie italiane e dall’Unione Europea. 

Collabora come revisore con numerose riviste scientifiche (Molecular Cell, Molecular and Cellular Biology, EMBO Journal, Plant Cell, Plant Journal, Plant Molecular Biology) e agenzie assegnatrici di fondi di ricerca (USDA, EMBO, TWAS, Human Frontier, ERC). Dal 2005, Chiara è Segretario Generale della Conferenza Internazionale "The Future of Science", un ciclo di conferenze di Scienza e Societa' che riunisce eminenti esperti di varie discipline per presentare e discutere l'impatto del progresso scientifico sulla società nel suo insieme.  

I suoi interessi scientifici spaziano dagli aspetti fondamentali della biologia delle piante alle applicazioni biotecnologiche. L’obiettivo principale dei suoi studi è decifrare la logica del controllo trascrizionale e della regolazione genica in piante  sia durante lo sviluppo, sia nell’interazione con l’ambiente.

Water more precious than gold: improving plant water efficiency

Drought is a major threat to agriculture and food production. Even in the most productive agricultural regions short periods of water deficiency are responsible for considerable reductions in seed and biomass yields every year. Considering that over 70% of the globally available fresh water is used in agriculture to sustain crop production, it will be imperative to develop new crops with higher performance under water scarcity, able to consume less water and to maintain high efficiency.

Basic research allowed a precise understanding of some of the physiological mechanisms governing plant adaptations to drought. For instance we know that plants avoid drought stress through mechanisms enhancing the capture of soil moisture (e.g. reaching deep soil moisture with a long root), or reducing water loss by transpiration (e.g. decreasing the aperture of the stomatal pores distributed on the leaf surface). Plants also evolved the ability to maintain basic cellular function under a dehydrated state, although this phenomenon is rare in nature. Coordinately with the above-mentioned strategies, some plants survive drought literally by escaping it. To achieve this they accelerate their transition to flowering and set seeds before drought conditions become too harsh for survival. In the “escape” strategy plants favor the survival of a small progeny at the expenses of yield.

Whilst our knowledge of the molecular basis and genetic regulation of individual stress response pathways has tremendously increased during the last couple of decades, we now know that engineering a single pathway is not a winning strategy to generate drought–resilient crops. Also, several key questions still remain unanswered. For instance, how do plants coordinate the different morphological and physiological responses to adjust growth, flowering and water status under drought stress? What are the temporal and spatial regulations of drought responses?

Drought responses are governed by multiple and highly interconnected pathways. Transcription factors (TFs) are proteins that naturally act as master regulators of cellular processes, and thus excellent candidates for modifying complex traits such as drought stress in crop plants. TF-based technologies are poised to play a prominent role in the next generation of biotechnological applications to crops. Examples of modified transcription factors that improve plant responses to drought stress in the model plant Arabidopsis thaliana will be presented. We will also analyze the importance and contribution of the spatial regulation of TFs in drought tolerance responses, and ways to engineer this trait. Finally we will illustrate the complexity of drought responses taking into account their tight temporal control and strong interdependence with other, seemingly unrelated, environmental response pathways.

Despite significant improvements in crop yield potential and yield quality over the last decades, the current climatic changes impose an urgent need for substantial increase in crop performances. We need more plant research to provide the key tools and technologies to achieve these ambitious goals.

La siccità costituisce una grave minaccia per l'agricoltura e la produzione alimentare. Persino nelle regioni agricole più produttive brevi periodi di carenza idrica provocano ogni anno notevoli riduzioni della resa delle sementi e della biomassa. Considerando che oltre il 70% della disponibilità globale di acqua dolce viene impiegato in agricoltura per la produzione vegetale, sarà indispensabile sviluppare nuove colture maggiormente resistenti in condizioni di carenza idrica, ossia in grado di consumare meno acqua e allo stesso tempo di mantenere un'elevata efficienza.

La ricerca di base ci ha fornito una dettagliata spiegazione di alcuni dei meccanismi fisiologici che regolano il modo in cui le piante si adattano alla siccità. Ci spiega, ad esempio, che le piante evitano lo stress causato dalla siccità attraverso dei meccanismi che rendono più efficace il processo di assorbimento dell'umidità del suolo (per esempio, raggiungendo l'umidità del suolo in profondità attraverso una lunga radice), o che minimizzano la perdita idrica per traspirazione (ad esempio, riducendo l'apertura dei pori stomatici presenti sulla superficie delle foglie). Le piante hanno inoltre sviluppato la capacità di mantenere le proprie funzioni cellulari di base in condizioni di disidratazione, anche se questo fenomeno si verifica raramente in natura. Unitamente alle suddette strategie, alcune piante riescono a sopravvivere alla siccità mediante una vera e propria fuga. A questo scopo, esse accelerano il processo di fioritura e depositano i semi prima che le condizioni di siccità diventino troppo rigide per la sopravvivenza. Nella strategia di "fuga," le piante favoriscono la sopravvivenza di una piccola progenie a spese della resa dei semi.

Benché le conoscenze in materia di base molecolare e di regolazione genetica dei singoli processi di risposta allo stress siano enormemente aumentate negli ultimi vent'anni, oggi sappiamo che un singolo processo non costituisce una strategia vincente per generare colture resistenti alla siccità. Inoltre, vi sono ancora molte domande fondamentali senza risposta. Ad esempio, in quale modo le piante coordinano le diverse risposte morfologiche e fisiologiche per regolare crescita, fioritura e status idrico in condizioni di stress da siccità? Quali regole in termini spazio-temporali seguono le risposte delle piante alla siccità?

Le risposte alla siccità sono regolate da molteplici processi altamente interconnessi. I fattori di trascrizione sono proteine che agiscono come regolatori dei processi cellulari, e sono pertanto dei candidati eccellenti per la modifica di tratti complessi quali lo stress da siccità nelle piante coltivate. Le tecnologie basate sui fattori di trascrizione avranno un ruolo di rilievo nella prossima generazione di applicazioni biotecnologiche per le colture. Saranno illustrati degli esempi di fattori di trascrizione modificati volti a migliorare le risposte vegetali allo stress da siccità nella pianta modello Arabidopsis thaliana. Verranno inoltre analizzati l'importanza e il contributo della regolazione spaziale dei fattori di trascrizione nelle riposte di tolleranza alla siccità, e le modalità con cui di questa caratteristica verrà progettata. Infine, si illustrerà la complessità delle risposte alla siccità delle piante tenendo in considerazione il loro stretto controllo temporale e la forte interdipendenza con altri processi di risposta ambientale, apparentemente non correlati.

Sebbene negli ultimi decenni vi siano stati notevoli miglioramenti nel rendimento potenziale delle colture e nella qualità del rendimento stesso, gli attuali mutamenti climatici impongono l'urgente necessità di aumentare notevolmente le prestazioni delle colture. È necessario promuovere la ricerca sulle piante per poter disporre di strumenti e tecnologie adeguati per il raggiungimento di questi ambiziosi obiettivi.