Maggiore resistenza alle malattie, quali ruggini fogliari e oidio, maggior efficienza d’uso dell’azoto, miglior profilo nutrizionale rendendo inattivo il peptide (frazione proteica tossico del glutine e riducendo il livello di fattori anti-nutrizionali presenti nella granella, più elevata qualità panificatoria. Tutto ciò è reso possibile grazie alle TEA, cisgenesi e genome editing, applicate al frumento. Scopriamo insieme a che punto è la ricerca, in particolare quella del CREA Cerealicoltura e Colture Industriali
L’utilizzo delle nuove Tecnologie di Evoluzione Assistita (TEA) consente di accelerare in maniera mirata i programmi di miglioramento genetico, aumentando le rese e migliorando la qualità delle produzioni, in un’ottica di sostenibilità e di risparmio delle risorse. Poiché la regolamentazione limita fortemente la coltivazione e la commercializzazione delle piante transgeniche e, in aggiunta, anche l’accettazione da parte dei consumatori rimane bassa, l’approccio della cisgenesi, nell’ambito delle TEA, può rappresentare un metodo efficiente per introdurre in pianta geni provenienti dalla stessa specie o da specie strettamente correlate e per accelerare il miglioramento genetico del frumento.
Il frumento
Il frumento è un cereale appartenente al genere Triticum e alla famiglia delle Graminacee. Originariamente veniva coltivato tra il Mar Mediterraneo, Mar Nero e Mar Caspio. Attualmente, viene coltivato in tutti i continenti e, iIn Italia, rappresenta il cereale più coltivato (1.700.000 ettari in totale nel 2022). In particolare, nel Nord Italia viene più coltivato il frumento tenero da cui si ottiene la farina per la produzione di pane e prodotti da forno mentre il frumento duro, che si presta meglio per la produzione di semola e la trasformazione in pasta, è coltivato nelle regioni del Sud Italia, in particolare nel “Granaio d’Italia”. Nel 2012 è stato consegnato il primo riconoscimento IGP (Indicazione Geografica Protetta) alla pasta di Gragnano, mentre sono noti i marchi DOP per alcuni pani del Sud come il pane di Altamura e la pagnotta del Dittaino. Le produzioni totali secondo i dati ISTAT 2022 sono 3,7 milioni di tonnellate per il frumento duro e 2,8 milioni di tonnellate per il frumento tenero.
La produzione nazionale, tuttavia, copre circa il 60 % dei nostri fabbisogni per il grano duro, mentre si attesta al 35 % – 40 % per il tenero: di conseguenza, è inevitabile l’importazione di notevoli quantità di frumento da altri Paesi comunitari ed extracomunitari. Nel 2021 l’Italia ha importato oltre 2,2 milioni di tonnellate di frumento duro e oltre 4,5 milioni di tonnellate importate di frumento tenero. Quasi il 46% del frumento duro è stato importato dal Canada, seguito da Grecia per il 6%, USA e Francia per il 7% e Kazakistan per il 3%. Per quanto riguarda il grano tenero, il principale esportatore è stato l’Ungheria, con il 23% sul totale importato, seguito dalla Francia, con il 16%.
L’approccio cisgenico è stato usato, al momento, in frumento duro per ottenere una varietà con una migliore qualità panificatoria, e in frumento tenero per ottenere piante più resistenti alle malattie, grazie al trasferimento di un gene coinvolto nella difesa da patogeni fungini. Il CREA-Cerealicoltura e Colture Industriali sta conducendo attualmente prove di resistenza a malattie fungine su piante cisgeniche di frumento duro in cui è stato trasferito un gene da frumento tenero, Lr67, che è in grado di conferire resistenza durevole in pianta adulta a tutte le ruggini fogliari e all’oidio, malattie che determinano una notevole perdita di produzione, anche del 50%.
Pertanto, rendere il frumento più resistente alle malattie rappresenta un ottimo modo per aumentare le rese garantendo, allo stesso tempo, la sostenibilità ambientale grazie al ridotto uso di pesticidi.
Uno strumento molto efficace è inoltre il Genome Editing (GE), una tecnica che induce mutazioni in posizioni specifiche del genoma. Utilizzando questa strategia è stata ottenuta una maggiore resa nel frumento tenero, editando un gene coinvolto nell’efficienza d’uso dell’azoto (NUE). Le linee editate hanno mostrato un aumento della tolleranza a carenze di azoto, un aumento della NUE e della resa in granella, anche in prove di pieno campo.
Il GE è stato utilizzato con successo anche per migliorare la resistenza ai patogeni. Il miglioramento della resistenza all’oidio in frumento tenero è stato ottenuto mediante la modifica di due geni che nella loro forma nativa favoriscono l’azione del patogeno. Sono state così ottenute piante con una robusta resistenza alla malattia senza effetti secondari indesiderati e penalizzazione della resa.
Alcune recenti applicazioni del GE hanno riguardato il miglioramento della qualità dei frumenti, intervenendo, in particolare, sui macronutrienti come l’amido e le proteine della granella.
Frumenti caratterizzati da un migliorato profilo nutrizionale, grazie ad una maggiore frazione di amido resistente, sono stati ottenuti per mutagenesi mirata di un enzima coinvolto nella sintesi dell’amido. Essendo l’amido resistente un componente principale della fibra alimentare, che non viene digerita e assorbita nello stomaco o nell’intestino tenue, con conseguente diminuzione del livello di zucchero nel sangue dopo i pasti, il suo aumento ha effetti positivi sulla salute umana.
Nell’ambito della composizione delle proteine del glutine, le gliadine rappresentano la frazione proteica maggiormente coinvolta nella celiachia, un’infiammazione permanente dell’intestino che è diffusa nell’1-2% della popolazione. In particolare, in frumento tenero il principale peptide (frammento proteico) tossico è rappresentato da una regione presente nelle alfa-gliadine. Mediante un approccio mirato, è stato possibile “inattivare” questo peptide, riducendo l’immunoreattività dell’85%, senza alterare la qualità tecnologica delle farine.
In frumento duro, invece, il principale peptide tossico è presente in copie multiple nelle gamma-gliadine. Il CREA-CI sta attualmente impiegando un approccio di genome editing per modificare questo peptide tossico, trasformandolo in una sequenza protettiva che, in esperimenti condotti sia in vitro che ex vivo, si è dimostrata efficace nel prevenire le reazioni avverse indotte dalle proteine del glutine.
La qualità nutrizionale e salutistica dei frumenti può essere migliorata anche riducendo il livello di fattori anti-nutrizionali presenti nella granella. Tra questi si ritrova l’asparagina, precursore dell’acrilammide prodotta negli alimenti amidacei durante la cottura ad alte temperature e in grado di incrementare il rischio di sviluppare il cancro nell’uomo. Mediante il silenziamento del gene coinvolto nella sintesi dell’asparagina sono state ottenute linee di frumento che presentavano una riduzione fino al 90% della concentrazione di asparagina libera nella granella. Nel 2021, nel Regno Unito sono state autorizzate prove di campo per la valutazione di queste linee.
Inoltre, negli Stati Uniti la compagnia Calyxt, operante nel settore delle biotecnologie, ha sviluppato un frumento editato ad alto contenuto di fibre, con l’intento di arrivare a fornire fino al 100% del fabbisogno giornaliero raccomandato di fibre. Questo frumento è in corso di valutazione in prove di campo con l’intento di inserirlo al più presto nel mercato. Tra gli altri prodotti che la stessa azienda sta sviluppando, sempre attraverso GE, vi è anche un frumento a ridotto contenuto di glutine.
La misura in cui le colture ottenute con il GE possono essere sviluppate, coltivate e commercializzate, anche per usi nell’alimentazione umana e animale, dipende in gran parte da come esse sono regolamentate a livello internazionale e nazionale, data la variabilità delle normative applicate dai vari Paesi.
La comunità scientifica sta ora chiedendo ai governi dei paesi in cui le piante modificate da GE sono considerate per legge organismi geneticamente modificati, tra i quali l’Unione Europea e in particolare l’Italia, di prendere in considerazione una diversa regolamentazione poiché, a seguito di cicli di incrocio e selezione, si ottengono piante completamente prive di DNA estraneo e recanti solo le mutazioni desiderate nel/i gene/i bersaglio, con fenotipi assolutamente simili a quelli ottenuti tramite mutazioni tradizionali (naturali o indotte chimicamente/fisicamente) negli stessi geni.
Se solo si pensa alle innovazioni introdotte, all’inizio del secolo scorso, dal genetista italiano Nazareno Strampelli, pioniere della Rivoluzione Verde nel dopoguerra, che hanno portato la cerealicoltura italiana ad essere competitiva, oggi, grazie al sequenziamento del genoma di frumento duro italiano ci sarebbero tutte le premesse per un utilizzo efficace delle TEA, senza modificare i tratti fenotipici su cui si basa il Made in Italy, riducendo le perdite di produzione e conservando la qualità del frumento.
Hanno collaborato: Anna Maria Mastrangelo, Donatella B.M Ficco, Daniela Trono, Grazia M. Borrelli
Ricercatrice presso il CREA Centro Cerealicoltura e Colture Industriali
Laurea in Scienze biologiche e dottorato di ricerca in Miglioramento genetico delle specie agrarie e forestali.
Ambito di ricerca: studio delle basi genetiche di caratteri di importanza agronomica, principalmente delle malattie, in frumento duro.
#lafrase: Le forze della natura agiscono secondo una segreta armonia che è compito dell’uomo scoprire per il bene dell’uomo stesso e la gloria del Creatore (Gregor Johann Mendel)
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
