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venerdì, 30 Settembre 2022

La “sostenibile” leggerezza della genetica in agricoltura

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Come far fronte alle sfide che l’agricoltura dovrà affrontare per nutrire il nostro pianeta, alla prese con il cambiamento climatico? Resistenza ai patogeni, tolleranza alle alte temperature ed efficienza nell’assunzione di acqua e nutrimento in terreni poco umidi, compatti e con scarsi nutrienti: la risposta va ricercata nel miglioramento genetico che introduce il maggior numero di caratteri in unica varietà per renderla più produttiva, adattabile e resiliente, gettando le basi per un’agricoltura più sostenibile.

Sul pianeta Terra oggi vivono otto miliardi di persone e il rapporto delle Nazioni Unite “The World Population Prospects 2019: Highlights”, stima che nel 2050 la popolazione mondiale raggiungerà i 10 miliardi. Per poter far fronte alle necessità alimentari è ormai imprescindibile ottimizzare l’utilizzo dei terreni agricoli, impiegare in modo sostenibile le risorse del suolo (acqua, materiale organico, minerali) e ridurre le perdite dei raccolti dovute a malattie, carenza d’acqua, terreni troppo compatti e scarse risorse del suolo.

Per affrontare e superare questa sfida sarebbe utile poter disporre di piante perfette. Una pianta perfetta è una pianta capace di resistere ai patogeni (insetti, virus, batteri e funghi), di tollerare le alte temperature (capace di disperdere meno vapore acqueo) e dotata di radici in grado di ottimizzare l’assunzione di acqua e nutrimento in terreni poco umidi, compatti e con scarsi nutrienti.

Dovrebbe, inoltre, riuscire a crescere in modo ottimale quando la quantità e la qualità della luce non sono ideali, poiché molte varietà, in queste condizioni ambientali, escono precocemente dalla fase vegetativa (con una forte riduzione del numero di foglie prodotte) e anticipano la fioritura, che però è scarsa con una conseguente riduzione nella produzione di frutti e semi. Tutte queste caratteristiche ideali, chiamate – caratteri – permetterebbero ad una varietà coltivata di non subire alterazioni nello sviluppo, fioritura, produzione di frutti e semi, contribuendo quindi, a limitare i danni a carico della produzione. Ad oggi non esiste un’unica pianta che racchiuda in sé tutte questi caratteri o, per lo meno, non è stata ancora selezionata. In natura sono presenti varietà resistenti alla siccità, ma suscettibili all’attacco degli insetti, varietà resistenti a patogeni, ma incapaci di svilupparsi all’ombra di altre piante, varietà che in un terreno troppo compatto non riescono a sviluppare un apparato radicale funzionale.

Quello che da sempre l’uomo cerca di fare, attraverso il miglioramento genetico, è di introdurre il maggior numero di caratteri in unica varietà per renderla più produttiva, adattabile e resiliente, gettando le basi per un’agricoltura più sostenibile.

I ricercatori e i tecnici del CREA-Centro di Genomica e Bioinformatica da anni focalizzano la loro attenzione sullo studio dei genomi delle piante e concentrano i loro sforzi nel dipanare l’intricata rete di interazioni tra geni, per capire in quale modo le piante si sviluppano, si riproducono e sintetizzano le molecole utili per il benessere dell’uomo. Non da ultimo, sono impegnati nell’individuare le variabili genetiche capaci di migliorare la produttività e la resistenza/tolleranza delle piante.

Diversi progetti di ricerca in corso presso il Centro impegnano i ricercatori nell’ottenimento di cultivar maggiormente tolleranti alle alte temperature e alla siccità. La carenza idrica rappresenta lo stress ambientale più significativo in agricoltura e il suo impatto sulla produttività è destinato a diventare ancora più significativo nell’area Mediterranea, a causa dei cambiamenti climatici in atto. Partendo dallo studio di specie come frumento, riso e melanzana (progetto ERANET-FOSC CropsForChange) si stanno approfondendo le conoscenze sulla risposta genetica e metabolica, che determina la tolleranza a questi stress. Una volta individuati i possibili geni coinvolti, si caratterizzeranno i mutanti naturali per questi caratteri in melanzana e riso per definire una risposta generale e trasversale nelle varie specie. Questo potrà permettere di selezionare le cultivar di cereali e solanacee con le caratteristiche genetiche migliori per rispondere alla scarsità di acqua e alle alte temperature.

Attività di ricerca del centro di Genomica e Bioinformatica per l’identificazione delle variabili genetiche utili a migliorare la produttività e la resistenza/tolleranza delle piante.

Con il progetto di ricerca bilaterale tra Italia e Israele denominato Plant-RED, si sta caratterizzando la collezione di materiali genetici di orzo sviluppati presso il Centro per l’efficienza nell’uso dell’acqua (Water Use Efficiency-WUE). La WUE misura quanta biomassa viene prodotta dalla pianta per ogni unità di acqua traspirata. Le informazioni generate permetteranno di identificare sul genoma di orzo nuovi geni responsabili di un’elevata WUE, consentendo di identificare quelle cultivar che ottimizzano l’utilizzo delle risorse idriche.

Per una agricoltura sostenibile è fondamentale anche ridurre quanto più possibile l’utilizzo di fertilizzanti azotati, un’importante causa di inquinamento atmosferico, delle falde acquifere e del suolo. Alla questione ambientale si è aggiunta la recente crisi geopolitica che ha drammaticamente evidenziato i costi e rischi della nostra dipendenza dai fertilizzanti prodotti altrove.

Presso il CREA Genomica e Bioinformatica, utilizzando pomodoro e melanzana – due solanacee tra le più diffuse e coltivate specie orticole al mondo – si stanno mettendo a punto sistemi di crescita che prevedono una riduzione dell’uso dei fertilizzanti azotati (progetto ERANET-SUSCROP). In particolare, l’obiettivo principale è quello di identificare genotipi di pomodoro e melanzana, efficienti nell’uso dell’azoto (Nitrogen Use Efficiency – NUE) e compatibili con la sostenibilità delle pratiche agricole dell’Unione Europea a basso impatto ambientale, sviluppando al tempo stesso marcatori molecolari che facilitino la costituzione di varietà con migliorata NUE.

Un ulteriore approccio per ridurre l’utilizzo di composti azotati nel riso riguarda l’individuazione di batteri endofiti (organismi che vivono all’interno di altri organismi) benefici, che contribuiscono attraverso le loro interazioni con il riso ad aumentare la capacità di assorbimento dell’azoto da parte della pianta, aumentando così la sostenibilità della coltivazione di questo cereale.

La produttività dei campi coltivati in modo intensivo è fortemente diminuita dall’ombreggiamento dovuto alla forte vicinanza in cui le piante crescono. Per aumentare la quantità di foglie e frutti prodotti è basilare definire le vie geniche attraverso cui la pianta modifica il suo sviluppo in risposta all’ombra. Una volta identificati i geni che presiedono a queste risposte sarà possibile sviluppare, attraverso il breeding di precisione e le biotecnologie di nuova concezione, piante che, anche in condizioni di coltivazione intensiva, non alterino il loro sviluppo, mantenendo così intatta la produzione di biomassa e frutti. Questo è quanto si prefigge di fare il progetto SMART-BREED in piante appartenenti alle famiglie delle Brassicacee, Solanacee ed Asteracee.

Una agricoltura sostenibile si avvale di piante resistenti ai patogeni. La decodifica del genoma di orzo e dei frumenti sta facilitando la caratterizzazione delle preziose risorse genetiche conservate nelle banche del germoplasma e l’individuazione di geni responsabili della resistenza a diversi patogeni, che causano ogni anno significative perdite produttive.

I programmi di miglioramento genetico dell’orzo in corso sfruttano appieno queste conoscenze e, grazie ad una strumentazione all’avanguardia (quale il sistema di SNP genotyping Fluidigm che permette di analizzare in contemporanea tanti marcatori su tanti genotipi), conferiscono alle varietà in via di sviluppo la resistenza genetica a diversi virus e funghi.

Inoltre, nell’ambito del progetto CEREALMED (bando PRIMA) si sta valutando la biodiversità disponibile di frumento, lenticchie e ceci, testando collezioni di germoplasma per l’adattamento a diverse condizioni ambientali, resistenza alle malattie e tratti di qualità nella regione mediterranea.

Sono, inoltre, in corso lavori per selezionare varietà di riso resistenti al brusone (Pyricularia oryzae) – attraverso la “pirimidizzazione” ossia di un metodo che permette di introdurre nella medesima varietà diversi geni di resistenza- così come al nematode Aphelenchoides besseyi e al più distruttivo nematode Meloidogyne graminicola, entrambi causa di decremento produttivo e qualitativo nel riso.

I cambiamenti climatici e lo sfruttamento dei suoli stanno rendendo difficile la produzione agricola, senza un elevato apporto di fertilizzanti e acqua. Per questo motivo, stiamo selezionando le varietà di orzo con la migliore capacità di radicazione in terreni compatti per individuarne la base genetica, in modo da poter ottenere in futuro le varietà più adatte. Parallelamente, è in corso l’analisi di architettura di radicali capaci di raggiungere gli strati più profondi del terreno (ricchi di acqua ed azoto). A parità di lunghezza, quelle piante caratterizzate da un angolo di radicazione più stretto, avranno radici più in profondità, capaci, quindi, di assorbire acqua e nutrienti presenti nel suolo, senza dover ricorrere a trattamenti. L’identificazione della base genetica del carattere “angolo stretto” consentirà di selezionare in futuro piante che contengono nel loro DNA questa informazione.

Tutto ciò è parte del contributo che il CREA con il suo Centro di ricerca Genomica e Bioinformatica sta dando alla ricerca in agricoltura, affinché a fronte dei cambiamenti climatici e in nome della sostenibilità, possano essere identificate nuove varietà adatte alle coltivazioni del futuro, sempre più vicine alla pianta ideale che ogni agricoltore desidererebbe.

Francesca Desiderio
Ricercatrice

Si occupa principalmente di identificare regioni genomiche (e geni) coinvolte nella determinazione di caratteri di interesse agronomico.

#lafrase Sii il cambiamento che vuoi vedere nel mondo. (Mahatma Gandhi)

Giorgia Carletti Ricercatrice

Le sue ricerche sono focalizzate sullo studio dell’architettura radicale in relazione ai diversi ambienti. Si occupa di fenotipizzazione e studi di associazione tra genotipo e caratteri morfologici della radice.

#lafrase Non esistono cose facili o difficili. Esiste quello che so fare e quello che non so fare (J. Velasco)

Marco Possenti Ricercatore CREA-Centro di ricerca Genomica e Bioinformatica sede di Roma

Fulcro dei suoi studi sono i pathway molecolari che presiedono allo sviluppo delle piante con particolare attenzione al ruolo svolto dai fattori di trascrizione della famiglia HD-Zip. 

#lafrase Panta rhei os potamòs (Eraclito) 

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