L’agricoltura deve oggi fronteggiare sfide epocali, dai cambiamenti climatici alla crescente siccità, dalla riduzione dell’uso dei fitofarmaci e dei fertilizzanti alla sostenibilità ambientale, senza dimenticare patologie vecchie e nuove. Per poterle vincere servono nuove varietà in grado di garantire al tempo stesso produttività, resilienza e sostenibilità ambientale, senza rinunciare alla qualità e alla tipicità del nostro Made in Italy agroalimentare. Il miglioramento genetico diventa un obiettivo strategico per il nostro Paese. Scopriamo le soluzioni innovative messe in campo dal centro di Genomica e Bioinformatica. 

e la sostenibilità è una priorità dell’agricoltura e se i cambiamenti climatici sono il problema di oggi e di domani, cambiare le varietà che coltiviamo, sfruttando le conoscenze dei loro geni è una componente indispensabile della soluzione. La scoperta del DNA e del suo ruolo di molecola che contiene i geni responsabili di tutti caratteri di un essere vivente, ha spostato il miglioramento genetico da un approccio empirico ad un approccio basato sulla conoscenza dei geni. Conoscere i geni è indispensabile per selezionare i semi per le colture di oggi e di domani. 

Negli ultimi anni il CREA Centro di ricerca Genomica e Bioinformatica (CREA-GB) è stato protagonista dei progetti di sequenziamento dei genomi (la lettura integrale del DNA di una varietà di riferimento per ogni specie con l’identificazione di tutti i geni), partecipando a iniziative internazionali e coordinando il sequenziamento del genoma del frumento duro.

In parallelo, sono stati avviati numerosi progetti per l’utilizzo delle conoscenze derivanti dal sequenziamento dei genomi, con l’obiettivo di capire le basi genetiche della biodiversità, sfruttando anche la banca di germoplasma del Centro, che ospita oltre 8.000 forme diverse di cereali ed orticole. Scoprire i geni che rendono una varietà diversa dall’altra consente di selezionare piante migliori attraverso la conoscenza dei loro genomi e di sfruttare i nuovi metodi capaci di correggere la sequenza di un gene attraverso un meccanismo biologico noto come CRISPR-Cas9. Queste tecnologie, conosciute come TEA (Tecniche di Evoluzione Assistita), permettono di selezionare piante che sono a tutti gli effetti diverse dagli OGM. Mentre un OGM è una pianta, nelle cui cellule è stato inserito un gene derivante da una qualsiasi altra specie vivente, una TEA è una pianta, che porta una mutazione in un proprio gene, mutazione indotta mediante un meccanismo biologico, del tutto equivalente ed indistinguibile da una mutazione naturale. Una pianta TEA non contiene nessun gene di origine esterna.  

Due esempi di progetti ad alta innovazione 

Il Centro è attivo sia in progetti di ricerca avanzata che di natura applicativa, di seguito due esempi che costituiscono una scommessa sul futuro: uno dedicato allo sviluppo di nuovi strumenti per la genomica (AGRITECH), l’altro alla selezione di piante di nuova generazione capaci di far fare un salto produttivo all’agricoltura nazionale (BEST CROP). 

AGRITECH è il progetto nazionale realizzato nell’ambito del PNRR e il Centro vi partecipa con due azioni principali. I) Nella ricerca fondamentale attraverso una attività coordinata a livello internazionale per il sequenziamento del pangenoma del frumento duro (la lettura integrale del DNA di tante varietà di frumento duro, per generare il catalogo di tutti i geni di tutti frumenti duri selvatici e coltivati). II) Nella ricerca applicata attraverso l’uso delle TEA per realizzare pomodori e melanzane resistenti a stress ambientali e con nuove caratteristiche qualitative. 

BEST CROP è un rivoluzionario progetto Europeo che si propone di sviluppare una nuova generazione di varietà di orzo per i futuri scenari climatici, più produttiva e più efficiente nell’uso dell’acqua. BEST CROP sfrutta le conoscenze dei genomi, la biodiversità esistente e le TEA per selezionare piante con una migliore capacità fotosintentica e caratteristiche della paglia ottimizzate per essere in linea con i principi dell’economia circolare. BEST-CROP, partendo dalle più avanzate conoscenze sviluppate nei sistemi modello, scommette sull’innovazione genetica e si propone di migliorare in modo significativo l’efficienza fotosintetica delle piante, in modo da avere piante più grandi (maggiore biomassa) e più produttive semplicemente utilizzando meglio la luce solare e senza dover aumentare la concimazione o l’uso dell’acqua. In un’ottica di economia circolare, verranno poi selezionate linee di orzo con specifiche caratteristiche qualitative della paglia, in modo da poterla destinare alla produzione di nuovi prodotti ad alto valore aggiunto: come alimento per insetti capaci di convertire la paglia in proteine e grassi, oppure come materia prima per la produzione di nuovi materiali ecocompatibili per l’edilizia, capaci di sostituire prodotti attualmente ottenuti da settori industriali ad alto impatto ambientale. 

Un po’ di impatto 

Le conoscenze sviluppate presso il Centro si esprimono da un punto di vista operativo in una facility per il miglioramento genetico avanzato, a cui accedono diverse industri private con cui il Centro sottoscrive accordi di sviluppo congiunto, che hanno portato alla selezione di decine di varietà di orzo, triticale, avena, riso, melanzana ed asparago di grande successo commerciale. Oggi le varietà di orzo avena e triticale sezionate presso il Centro coprono circa un quarto della superficie italiana destinata a queste colture e sono apprezzati anche in altri paesi mediterranei. 

Inoltre, le conoscenze circa i geni, che sono alla base del miglioramento genetico, consentono lo sviluppo di protocolli di tracciabilità basati sul DNA (lo stesso principio utilizzato dalla polizia scientifica), che permettono di tracciare varietà di pregio o anche organismi indesiderati lungo tutta la filiera dal campo alla tavola. 

Research Centre for Genomics and Bioinformatics. Selecting varieties for sustainable agriculture? It depends on the genes! 

Agriculture today faces monumental challenges, from climate change and increasing drought to the reduction of pesticide and fertilizer use and environmental sustainability. To overcome these challenges, new varieties are needed that can ensure, at the same time, productivity, resilience, and environmental sustainability, without compromising the quality and uniqueness of our Italian agri-food products. Genetic improvement is a strategic goal for our country, aiming to develop varieties suited to different climatic conditions, with innovative traits, resistant to harmful biotic and abiotic factors, and to both old and new diseases, able of using water and nutrients more efficiently and sustainably. Discover the innovative solutions implemented by the Genomics and Bioinformatics Center. 

If sustainability is a priority for agriculture and if climate change is the issue of today and tomorrow, changing the varieties we grow by leveraging the knowledge of their genes is an essential part of the solution. The discovery of DNA and its role as a molecule containing the genes responsible for all traits of a living being, has shifted genetic improvement from an empirical to a knowledge-based approach. Knowing the genes is essential for selecting seeds for the crops of today and tomorrow. 

In recent years, the CREA Research Centre for Genomics and Bioinformatics has played a leading role in genome sequencing (the integral reading of the DNA of a reference variety for each species with the identification of all genes) by participating in international initiatives and coordinating the sequencing of the durum wheat genome.

At the same time, the Centre has launched many projects due to the knowledge gained with genome sequencing aiming to understand the genetic basis of biodiversity by also taking advantage of Centre’s germplasm bank, which houses more than 8,000 different kinds of cereals and horticultural crops. Discovering the genes that make a variety different from another one makes possible to select better plants through the knowledge of their genomes and to exploit new methods capable of correcting the sequence of a gene through a biological mechanism known as CRISPR-Cas9. These technologies, known as NGTs (New Genomics Techniques), enable to select plants that are, by all means, different from GMOs. While a GMO is a plant that has had a gene from any other living species inserted into its cells, a NGT is a plant that carries a mutation in one of its own genes, a mutation induced by a biological mechanism, which is completely equivalent and indistinguishable from a natural mutation. A NGT plant does not contain any genes of external origin.  

Two cases of highly innovative projects 

The Centre is active in many projects, of both advanced and applied nature. Below, as follows, are two examples of projects that represent a bet on the future, one addressed to the development of new tools for genomics, the (AGRITECH), and the other one to the selection of new-generation plants capable of making a productive leap forward for national agriculture (BEST CROP). 

AGRITECH is the national project carried out under the Next Generation EU program and the Centre is participating with two main actions. I) In fundamental research through an internationally coordinated activity for the sequencing of the durum wheat pangenome (the integral reading of the DNA of many varieties of durum wheat to generate the catalogue of all the genes of all wild and cultivated durum wheat). II) In applied research using NGTs to produce tomatoes and eggplants resistant to environmental stresses and with innovative quality traits. 

BEST CROP is a revolutionary European project that aims to develop a new generation of barley varieties for future climate scenarios that are more productive and more efficient in the use of water. BEST CROP exploits knowledge of genomes, existing biodiversity and NGTs to select plants with improved photosynthetic capacity and optimised straw characteristics to be in line with the principles of the circular economy. BEST-CROP starting from the most advanced knowledge developed in model systems, bets on genetic innovation and aims to significantly improve the photosynthetic efficiency of plants to achieve bigger (higher biomass) and more productive plants simply by making better use of sunlight and without having to increase fertilisation or water use. With an eye  to the circular economy, barley lines up with specific quality characteristics of straw will then be selected so that it can be used for the production of new products with great added value: as  insects feed  capable of converting straw into protein and fat, or as raw material for the production of new environmentally friendly building materials that can replace products currently obtained from industrial sectors, and with a high environmental impact. 

Some effects 

The knowledge developed at the Centre is translated, under an applied point of view, in an advanced plant breeding facility which is accessed by several private industries with which the Centre signs joint development agreements, and that have led to the selection of dozens of commercially successful varieties of barley, triticale, oats, rice, eggplants and asparagus. Today, the barley oat and triticale varieties selected at the Centre cover a quarter circa of the Italian areas dedicated to these crops and are also appreciated in other Mediterranean countries. 

Furthermore, knowledge around the genes that are behind genetic improvement enables the development of DNA-based traceability protocols (the same principle used by the scientific police) that allow tracing valuable varieties, or even undesirable organisms, throughout the supply chain from field to fork.

#lafrase Non c’è agricoltura senza genetica ed avere in mano i semi e le conoscenze necessarie per la selezione dei semi significa avere in mano le chiavi dell’agricoltura