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martedì, 9 Agosto 2022

Frumento e canapa alla prova dell’agrobiodiversità

Della stessa Rubrica

I frumenti hanno subito nella storia una serie rilevante di modificazioni, che hanno trasformato alcune specie di frumento selvatiche (farro) in specie coltivate (grano duro e tenero). Oggi vi è la necessità di sviluppare nuove varietà eco-sostenibili, in grado di assicurare rese elevate, limitando però il ricorso agli input agrochimici ed energetici esterni e sfruttando al massimo le capacità intrinseche e le risorse naturali, anche alla luce dei cambiamenti climatici in atto. E’ necessario, quindi, introdurre nuova variabilità genetica nei programmi di miglioramento genetico del grano e, in questo contesto, le risorse genetiche vegetali rappresentano il serbatoio da cui attingere “geni nuovi” cercando “a ritroso” nel serbatoio di geni lasciati inutilizzati nella storia della granicoltura. 

L’importanza dello studio dell’agro-biodiversità e dei “geni nascosti” nelle Banche del Germoplasma per un’agricoltura sostenibile 

L’agro-biodiversità è quella parte della biodiversità plasmata dall’uomo e dall’ambiente, rilevante per l’agricoltura e per l’agro-ecosistema e riguarda le specie vegetali coltivate, gli animali allevati, e i microrganismi utili. Conservare la biodiversità significa salvaguardare la “diversità genetica” delle specie agrarie, intesa come varietà dell’informazione genetica (i geni) contenuta nei diversi individui della specie.  

Ci si approccia allo studio della sua diversità genetica con tre consapevolezze: 1. l’addomesticamento prima, e la selezione poi, hanno “lasciato per strada” molta diversità genetica potenzialmente utile;  2. spesso non conosciamo in maniera precisa né questa parte di diversità non utilizzata né in quali accessioni (genotipi, tipi genetici) essa sia contenuta; 3. a fronte di ciò, oggi gli strumenti scientifici di indagine del DNA sono più numerosi e più potenti, e sempre a minor costo del dato prodotto, rispetto a solo pochi anni fa. 

Foto 1 – Veduta della collezione AGENT di frumento del CREA di Vercelli. 

Attualmente la maggior parte dell’agro-biodiversità è conservata “ex-situ”, nelle banche del germoplasma. La conservazione e la valorizzazione dell’agro-biodiversità rappresenta un asset fondamentale e strategico per il CREA, sul quale poggiano la maggior parte delle attività tecnico-scientifiche del Piano triennale di attività dell’Ente.  

Il Centro di Ricerca Cerealicoltura e Colture Industriali (CREA-CI), grazie al progetto RGV-FAO finanziato dal MiPAAF, custodisce una delle più importanti collezioni del CREA: circa 17.000 accessioni, appartenenti ad oltre 70 specie tra cereali (frumento, mais, riso, sorgo, etc.) e colture industriali (patata, fagiolo, canapa, lino, etc.). Poter contare su un vasto numero di specie, genotipi e varietà coltivate permette al Centro di essere attivo in diversi progetti di ricerca per la valorizzazione della diversità genetica. 

Il progetto AGENT per il grano del futuro: la ricerca del codice genetico per aprire lo scrigno e liberare il tesoro delle banche dei semi

Le banche del germoplasma, ovvero le raccolte dei semi delle diverse specie, sono “scrigni” che contengono un vero tesoro di informazioni genetiche. Costituite sin dagli anni ’20 del secolo scorso con l’intento di conservare la diversità dei viventi per le future generazioni, se ne contano oggi nel mondo più di 1700, con più di 7 milioni di accessioni conservate. Spesso, tuttavia, il loro potenziale genetico è poco conosciuto e non fruibile ai miglioratori genetici, agli attori delle filiere, ai consumatori e alla società nel suo insieme. 
Il progetto AGENT, ossia Activated GEnebank NeTwork, coordinato dall’Istituto di ricerca tedesco IPK (uno dei maggiori centri europei di ricerca sui vegetali e ospitante la più vasta banca del germoplasma europea) – ha l’obiettivo ambizioso di sbloccare tale potenziale. Con frumento tenero e orzo quali modelli, ha riunito una rete europea di banche del germoplasma – tra le quali il CREA CI, con le  sue collezioni – e vuole giungere ad uno standard univoco di gestione, connettendole tramite un’infrastruttura digitale di tipo aperto, realizzata ad hoc da esperti bioinformatici. In questo modo tali banche saranno trasformate da “semplici” depositi di semi a centri attivi di risorse digitali, facilmente consultabili e quindi utilizzabili in programmi di miglioramento genetico da parte di chiunque ne sia interessato.

Come si sta realizzando tutto ciò? Attraverso la raccolta e l’analisi di informazioni genotipiche – riferite quindi alle “impronte digitali” del DNA – e fenotipiche – relative alla morfologia e alla fisiologia- delle numerose varietà di frumento tenero e orzo in studio. Uno dei punti di forza del progetto è proprio la numerosità dei materiali, più di 12.000 diversi genotipi, tra frumento tenero e orzo, messi in gioco dai ben 19 partner del progetto. In questo pool di agro-biodiversità, tramite tecnologie bioinformatiche avanzate, saranno identificati i siti nel genoma responsabili di caratteri agronomici e qualitativi importanti, mediante quella che in gergo tecnico viene definita analisi di associazione su larga scala (GWAS – Genome Wide Association Study). Quale ulteriore punto di forza, i vari partner stanno raccogliendo da qui a tre anni informazioni fenotipiche (adattamento e resistenze, produttività, etc.) sia sui propri materiali – il CREA lo sta facendo su 1000 accessioni di frumento tenero – sia su una collezione condivisa, costituita da 100 varietà di frumento e 100 di orzo, necessaria per mettere a fuoco criteri e metodi unificati a livello europeo. 
Sebbene la ricerca sia focalizzata su orzo e frumento tenero, le nuove tecnologie e i processi di gestione dei dati potranno essere applicati ad altre collezioni vegetali. Il “tesoro” potrà essere così pienamente sfruttato per far fronte alle numerose sfide che ci attendono, in primo luogo il fabbisogno alimentare di una popolazione mondiale in costante crescita, evitando l’aumento dell’uso di suolo e riducendo gli input chimici ed energetici. Come richiesto dal mercato, dalle politiche agricole, e dalla società; obiettivi quanto mai urgenti e necessari in un contesto di cambiamenti climatici molto evidenti.  

L’evoluzione dei frumenti raccontata dai geni che hanno portato alla selezione delle moderne varietà di grano duro  

Foto 2 – Fiore di Senape bruna, varietà ISCI 99 

I frumenti hanno subito nella storia una serie rilevante di modificazioni, che hanno trasformato alcune specie di frumento selvatiche (farro) in specie coltivate (grano duro e tenero). Dall’addomesticamento nel neolitico si giunge fino a inizio ‘900 con lo sviluppo di popolazioni locali di frumento (cosiddette landraces). Solo a partire dai primi decenni del ‘900 l’applicazione delle tecniche di incrocio e di miglioramento genetico hanno consentito il rilascio delle varietà moderne, soppiantandole in grano e in tutti i cereali. A partire dall’addomesticamento (presumibilmente a partire da poche piante selvatiche), proseguendo nella prima fase fino alle landraces e arrivando poi nella seconda, cioè da queste alle varietà, è stato ampiamente dimostrato come la biodiversità genetica si sia ridotta, sia per eventi casuali che intenzionali, in particolar modo per alcuni geni alla base di caratteri importanti per la produzione.  

Un recente studio (Genomics, 2021, 113:2989-3001) del CREA, in collaborazione con il CNR-IBBR e l’Università di Padova, grazie all’analisi dell’ampia collezione di biodiversità del grano duro del CREA di Foggia, dai farri selvatici alle landraces e alle varietà di grano duro che abbracciano tutta la storia del ‘900 e della prima parte degli anni 2000, ha rivelato l’importante ruolo evolutivo che i geni delle polifenolo-ossidasi (PPO) hanno avuto durante la fase di addomesticamento del farro e con il miglioramento genetico. Nel frumento le PPO rivestono un ruolo importante dal punto di vista tecnologico, in quanto sono responsabili dell’imbrunimento enzimatico della farina, una caratteristica poco apprezzata dai consumatori e, per questa ragione, la loro attività deve essere bassa. Dallo studio è emerso come le PPO siano una delle più interessanti “firme di selezione”, che segnano geneticamente il passaggio dai farri selvatici, ai farri coltivati, alle diverse sottospecie di frumenti ottenute dall’uomo lungo la sua storia, e fino alle varietà moderne di grano duro.  

Foto 3 – Riproduzione accessioni lino per RGV FAO – CREA CI Bologna 2021 

Oggi vi è la necessità di sviluppare nuove varietà eco-sostenibili, in grado di assicurare rese elevate, limitando però il ricorso agli input agrochimici ed energetici esterni e sfruttando al massimo le capacità intrinseche e le risorse naturali, anche alla luce dei cambiamenti climatici in atto.

Per assicurare il raggiungimento di questo obiettivo primario, è necessario introdurre nuova variabilità genetica nei programmi di miglioramento genetico del grano e, in questo contesto, le risorse genetiche vegetali rappresentano il serbatoio da cui attingere “geni nuovi” (tecnicamente, nuove varianti alleliche dei geni disponibili nella specie), in grado di avere un impatto significativo sulle caratteristiche di produttività, sostenibilità, qualitative e nutrizionali del frumento, cercando “a ritroso” nel serbatoio di geni lasciati inutilizzati nella storia della granicoltura. A tal fine, il recente studio corale coordinato dal CREA (Frontiers in Genetics 2020 11:217), in collaborazione con le Università di Napoli Federico II, di Sassari, di Bari Aldo Moro e la Politecnica delle Marche, evidenzia la possibilità di sfruttare appieno la diversità genetica delle landraces italiane nei nuovi e moderni programmi di miglioramento genetico, giacché questi tipi locali, rispetto ai farri selvatici progenitori del frumento, hanno il vantaggio di essere già adattati alle nostre condizioni pedo-climatiche. Lo studio ha evidenziato anche il ruolo chiave che la varietà Cappelli, selezionata da Nazareno Strampelli nel 1915, ha avuto nella storia del grano duro italiano, segnando il passaggio dalle vecchie popolazioni dell’800 alle varietà sviluppate nel paese almeno fino alla prima metà del 1900. 

Foto 4 – Prova di confronto varietale canapa – CREA CI Rovigo 2021 

Non solo Canapa: la biodiversità di Cannabis fornisce biomolecole ad uso farmaceutico, nutraceutico e industriale, ma è solo una delle tante Piante Industriali che, grazie alla loro diversità, mettono a disposizione dell’uomo proteine vegetali, olii, e biomolecole per l’economia circolare e l’ambiente 

Il genere Cannabis è originario dell’Asia centrale ed ora diffuso in Italia e nel mondo. Coltivata ed usata in principio per la fibra, oggi la pianta di Canapa può essere considerata una vera biofabbrica per le moderne filiere industriali della quale tutte le parti hanno un valore, e grazie a ciò sta crescendo in interesse e importanza, non solo tra i produttori e gli attori delle filiere, ma anche nella società. I suoi prodotti sono molti e utilizzati in varie filiere industriali, dalla bioedilizia alla cosmesi per citarne un paio; la ricerca del CREA sta indagando altri possibili utilizzi di questa pianta, che ci riserva sempre nuove sorprese. Le tante varietà di canapa (Cannabis sativa) producono moltissime molecole bioattive che trovano un loro utilizzo in farmaceutica, nutraceutica e cosmesi. 

l gruppo di lavoro del CREA-CI attraverso il finanziamento di progetti Nazionali (Maidet e Unihemp – http://unihemp.dhitech.it/) e Regionali, sta indagando su più fronti. Il focus riguarda non solo la fibra dallo stelo, ma anche e soprattutto la valorizzazione delle infiorescenze di canapa industriale – un tempo considerate “scarti” – dopo l’ottenimento della produzione di biomassa o di seme.  

Foto 5 – Infiorescenza della varietà Carmagnola 

Una recente ricerca del CREA (Molecules 2021, 26, 4080), in collaborazione con l’Università di Pisa, ha dimostrato come tra le varietà di canapa sia molto diversa, anche in relazione con l’ambiente, la composizione degli olii essenziali: dai sesquiterpeni quali composti predominanti ai cannabinoidi (in prevalenza cannabidiolo o CBD), che possono essere usati, tra l’altro, come composti aromatizzanti.  

Un’altra recente ricerca (Plants 2021, 10, 1857) ha scoperto come nella biodiversità di Cannabis la regolazione della sintesi dei tanti cannabinoidi (alcuni di essi con effetto stupefacente, ma diversi anche con promettenti usi medici e farmaceutici) abbia una regolazione complessa, che coinvolge anche geni ed enzimi meno noti,  e come la conoscenza di tali meccanismi sia importante per il raggiungimento della composizione finale in tali biomolecole nel fiore. 

Oltre ad essere biofabbrica, un vero e proprio “ecosistema” si stabilisce nei campi di canapa. Da recenti studi è emerso infatti che la coltivazione di Canapa (Cannabis sativa) ha un impatto positivo sull’ambiente e sulla biodiversità nei campi, ad esempio favorendo le api ed altri insetti pronubi, come poche altre colture possono vantare. 

Ma non solo Canapa! Infatti, nel Centro di Ricerca Cerealicoltura e Colture Industriali, l’agro-biodiversità è rappresentata dalle collezioni di Sorgo, Brassicacee, Patata, Lino, Fagiolo, Reseda (una pianta che favorisce le api), etc. L’opportunità di poter contare su un vasto numero di specie, genotipi e varietà coltivate ci permette di attivare progetti di ricerca dove valorizzare questa biodiversità. 

 

SpecieProgettoEnte finanziatoreSito web
Frumento teneroAgentUE-H2020https://www.agent-project.eu 
Brassiche SUSINCER Fondazione CaRiPLO http://susincer.crea.gov.it/ 
Patata SUSINCER Fondazione CaRiPLOhttp://susincer.crea.gov.it/ 
Canapa UNIHEMPPON MUR http://unihemp.dhitech.it/ 
MaisGEMMA Regione Lombardia 
Mais MIRALO Regione Lombardia
Mais DROMAMED UE – PRIMA 
Frumenti SAVEGRAIN-CER Regione Puglia 
Frumenti POIGA Regione Campania 
Frumenti pigmentati PIGRANI MISE 
Frumento duro BIODIVERSITY2FOODRegione Marche
Frumenti Sagral Regione Basilicata
Regione BasilicataPROLEGU MIPAAF 
Box 1. Alcuni Progetti legati alla valorizzazione dell’agro-biodiversità attivi presso il CREA-Cerealicoltura e Colture Industriali 

 


Pasquale de Vita
Dirigente di ricerca CREA Centro Cerealicoltura e Colture Industriali 

L’attività scientifica riguarda gli aspetti della ricerca legati alla genetica, al miglioramento genetico ed alla gestione agronomica del frumento duro. E’ responsabile del programma di miglioramento genetico del grano duro e da diversi anni cura il mantenimento di collezioni varietali di cereali per la salvaguardia e la valorizzazione della biodiversità e lo sviluppo di nuovi “stock genetici” per lo studio dei determinanti genetici di interesse agronomico. E’ autore di oltre 350 contributi scientifici ed è titolare e/o co-titolare di N. 2 Brevetti industriali, N. 7 varietà di grano duro  iscritte al Registro Nazionale (INIZIO, FARIDUR, GITAGO, P22D84, PR22D63, NATAL, NADIF) e N. 2 “Varietà da Conservazione” una di grano duro “Saragolla Lucana” ed una di grano tenero “Risciola”.  

#lafrase Non c’è miglior pasta che di grano… duro

Massimo Montanari
Ricercatore CREA Centro Cerealicoltura e Colture Industriali

Dal 2018 si occupa, all’interno del gruppo canapa delle sedi di Bologna e Rovigo, della gestione agronomica delle prove di campo dei progetti inerenti alla Canapa. È il referente della collezione per il progetto RGV FAO. Collabora allo sviluppo in campo di linee di lino da olio e brassicacee destinate alla biofumigazione.

#lafrase La natura non fa nulla di inutile (Aristotele) 

Nicola Pecchioni
Direttore CREA Centro Cerealicoltura e Colture Industriali. 

Specializzazione in Biotecnologie Vegetali, laurea in Scienze Agrarie. Direttore Centro di ricerca cerealicoltura e colture industriali del CREA e docente Università di Modena e Reggio Emilia. Valutatore di progetti nazionali e internazionali, di prodotti della ricerca, VQR 2011-2014, membro commissione esperti PNR 2021-27. Supervisiona progetti europei, nazionali e regionali del suo Centro. Genetista e plant breeder 

#lafrase La conoscenza è un oceano profondo che non si colma, ma nel quale c’è uno spazio immenso di studio per tutti

Patrizia Vaccino
Prima ricercatrice CREA-Cerealicoltura e Colture Industriali

Le principali tematiche di studio sono la caratterizzazione genetica e qualitativa di frumento tenero e riso, il miglioramento genetico con metodi tradizionali ed avanzati, lo studio dei loci codificanti per le proteine di riserva dei frumenti. 

#lafrase L’ignoranza afferma o nega rotondamente; la scienza dubita (Voltaire)

 

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