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lunedì, 26 Febbraio 2024

Riso: nuovi orizzonti della ricerca

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Ricco in fibre e vitamine, potassio e acidi grassi essenziali, privo di glutine, e quindi ideale per l’alimentazione di soggetti intolleranti e celiaci, il riso è da sempre simbolo del Made in Italy,  con l’Italia leader assoluto in Europa e negli areali mediterranei. E’ il terzo cereale più coltivato al mondo, pertanto, le opportunità offerte dalle TEA sono enormi e potrebbero velocizzare e rendere più precisi tutti i programmi di miglioramento varietale del riso, ottenendo cultivar più “attrezzate” a produrre sostenibilmente in condizioni di scarsità d’acqua e cambiamenti climatici.  

Negli ultimi anni il consumo di riso è aumentato, si stima del 34% tra 2012 e 2022 (Ente Risi), in Italia e all’interno dell’Unione Europea. Questo incremento si può ricollegare a diversi fattori. Il riso è un primo piatto alternativo alla pasta, adatto a diverse ricette, anche estive, ed è alimento privo di glutine, quindi ideale per l’alimentazione di soggetti intolleranti al glutine e celiaci.  Inoltre, in uno studio recente svolto da Ente Risi in collaborazione con l’Università degli Studi di Pavia e il Politecnico di Torino, è stato evidenziato come molte varietà di riso italiane siano caratterizzate da un Indice Glicemico molto basso, rendendo questo alimento più indicato di altri alimenti amidacei per persone affette da varie patologie, come ad esempio il diabete. Infine, la popolarità della cucina asiatica e l’aumento della scelta di alimenti per i consumatori hanno sicuramente aumentato il consumo medio di questo cereale. La ricerca scientifica, a fronte della sempre crescente popolarità del riso, non è rimasta ferma. Gli obiettivi del miglioramento genetico del riso sono stati, e rimangono, l’incremento della capacità produttiva, l’aumento di resistenza alle malattie, la riduzione del ciclo colturale e della taglia e, più recentemente, gli aspetti merceologici e qualitativi del prodotto, e la lotta all’infestante nota come “riso crodo”. 

L’importanza del riso

Il riso (Oryza sativa) è il terzo cereale più coltivato al mondo, dopo mais e frumento. I dati più aggiornati della FAO, relativi al 2021, riferiscono una produzione di circa 787 milioni di tonnellate su una superficie di 165 milioni di ettari. L’Italia è primo produttore e assoluto protagonista della produzione di riso in Europa: nel 2021 l’area dedicata alla coltivazione del riso è stata di 227.000 ettari, con una produzione di circa 1,4 milioni di tonnellate, valori pressoché immutati negli ultimi 20 anni. La coltivazione è ristretta principalmente alle province di Pavia, Novara e Vercelli, in cui è concentrato il 90% della produzione nazionale (Figura 1). Nonostante il panorama varietale sia molto ampio (264 sono le varietà attualmente iscritte al Registro Nazionale), più del 60% della superficie è occupata da solo dieci varietà (dati 2022, Ente Nazionale Risi).

La ricerca, nel corso degli anni, ha perseguito tali obiettivi avvalendosi delle tecnologie via via disponibili, fino all’invenzione delle cosiddette Tecnologie di Evoluzione Assistita (TEA), in particolare il sistema di forbici molecolari CRISPR-Cas9, che ha valso il premio Nobel per la chimica nel 2020 alle scienziate Jennifer Doudna ed Emmanuelle Charpentier. Questo approccio ha un considerevole vantaggio rispetto alle precedenti tecniche di miglioramento genetico: agire in maniera mirata e precisa sui singoli geni, generando in essi solo piccoli cambiamenti, anche di una sola lettera del codice. I geni così mutati, anche detti “editati”, consentono di migliorare un carattere desiderato, spesso in tempi molto rapidi. 

Le TEA nel riso 

Le prime applicazioni delle TEA in riso risalgono al 2013, quando ricercatori asiatici sono stati in grado, in modo quasi pioneristico, di mutare delle piante della varietà Nipponbare per modificare il contenuto di clorofilla o l’architettura della pianta.  Attualmente, vari aspetti della pianta sono studiati mediante le TEA, dai caratteri morfologici fino alla qualità merceologica e nutrizionale. Infatti, tali tecnologie sono anche utili per studiare le funzioni dei geni sull’espressione dei caratteri. 

Morfologia della pianta. L’architettura della pianta di riso è cruciale per la resa: si stima che un’architettura ottimale includa un basso numero di culmi di accestimento, cioè di steli (culmi) che appartengono a una singola pianta, quindi avendone pochi non produttivi. Inoltre, essa dovrebbe possedere culmi più spessi e robusti, per ridurre l’allettamento a terra, e un numero maggiore di granelli per pannocchia. Un gene di fondamentale importanza in questo contesto è sicuramente IPA1 (Ideal Plant Architecture1, ovvero pianta dall’architettura ideale): con una tecnica TEA è stata causata una delezione, ovvero è stato “tagliato” un breve tratto di DNA in modo che quella regione non sia più funzionale; ciò ha portato ad un aumento del peso delle pannocchie e del numero di culmi prodotti,

Figura 2 – A) e B): nella foto, a sinistra la variante di riso nativa, a destra quella editata con le TEA. Come si può notare le piante mutate risultano avere più culmi e un peso della pannocchia maggiore. Foto da Song et al., 2022.

e quindi ad un aumento della produttività della pianta. Un altro gene importante oggetto delle TEA è TAC1 (Tiller Angle Control 1), che influenza l’angolazione dei culmi laterali della pianta. In un esperimento che si è avvalso di tali tecniche, il gene è stato mutato in modo da essere silenziato (ovvero reso pressoché inattivo); ciò ha indotto alla crescita di piante con un’architettura più desiderabile e compatta, ideale per colture più fitte di piante, senza perdere in resa.                                                                         

Un altro aspetto importante riguardante la morfologia della pianta è l’altezza, che è stata via via diminuita con il miglioramento genetico: piante più basse sono infatti più resistenti all’allettamento a terra della pianta di riso. Tantissimi gruppi di ricercano ancora oggi si concentrano sullo studio di questo carattere in riso con risultati spesso molto incoraggianti.  

Resistenza ai patogeni. Come poter contrastare le malattie da cui il riso è afflitto è sempre stato un elemento centrale della ricerca sul riso, guidandone buona parte degli sforzi. Il brusone (Pyricularia oryzae) è sicuramente tra le infezioni fungine del riso più diffuse e dannose per gli agricoltori, causando danni anche molto ingenti alla produzione finale. Le TEA sono state utilizzate, in questo contesto, per disattivare un gene di riso, che rappresenta la chiave di ingresso per il fungo nella pianta, ostacolandone quindi l’infezione. Le piante così ottenute hanno mostrato, in esperimenti sia in campo aperto che in ambiente controllato, di avere inalterate tutte le qualità agronomiche della pianta base, ma un grado di infezione decisamente più basso e quindi una resistenza alla malattia più marcata, aprendo la strada, quindi, all’utilizzo delle TEA per eliminare o ridurre i trattamenti con fitofarmaci contro il brusone, e aumentare in questo modo la sostenibilità della coltura  

Caratteri agronomici. L’aumento della resa del riso è un argomento delicato: dopo un aumento considerevole durante la Rivoluzione Verde, questa spinta positiva si è molto rallentata. Negli ultimi 60 anni la resa è passata da un raccolto medio di 5 t/ha (1961-1970) a poco meno delle odierne 7 t/ha (2019). Ci sono molti colli di bottiglia, che impediscono un aumento maggiore della produzione di riso per unità di superficie, ma la ricerca non si è fatta scoraggiare e ha continuato la sperimentazione. Recentemente nuove scoperte sul gene NAC23 (No Apical Meristem23, ovvero nessun meristema apicale) danno nuove speranze: mutando parti della sequenza di questo gene si sono ottenute piante con una produzione media superiore del 15% rispetto a quelle non editate.  

Grazie alle varie tecniche scientifiche disponibili, e tra loro le TEA, è stato possibile scoprire e confermare la funzionalità di molti geni legati alla fioritura del riso, su come essa sia regolata e su come funzioni tutto il sistema. Queste nozioni, apparentemente solo teoriche, sono di rilevante importanza agronomica. Grazie all’individuazione di geni, o di varianti geniche (“versioni” alternative dello stesso gene, che producono effetti un po’ diversi) che conferiscono le caratteristiche desiderate, si apre infatti la possibilità di modulare tali caratteristiche in varietà che ne sono prive.  

Il riso ha una scarsa efficienza nell’uso dei fertilizzanti: infatti si stima che solo il 30-50% del prodotto fertilizzante applicato in campo sia effettivamente utilizzato dalle piante. Il gene NRT1.1B (Nitrate Transporter, ovvero trasportatore di azoto sotto forma di nitrato, dal suolo alle radici) aumenta l’efficienza di assorbimento del nitrato da parte della pianta. Tale gene è stato identificato e descritto per la prima volta nelle varietà di riso tropicali del tipo indica, che sono note per il loro migliore uso dell’azoto rispetto alle japonica, usate nel contesto italiano ed europeo. Con una tecnica TEA, sostituendo una singola “lettera” del codice del DNA del gene di una varietà japonica, si è ottenuta la stessa variante già esistente nelle varietà indica. I risultati sono stati quelli attesi: la nuova pianta japonica ha mostrato di avere un assorbimento del fertilizzante più efficiente.  

Con i cambiamenti climatici in atto, e l’allarmante esperienza della stagione 2022, la siccità, o comunque la scarsità d’acqua, spesso associata all’aumento della salinità dei suoli, diventa un punto critico per la coltivazione risicola. La ricerca da anni si sta impegnando per trovare soluzioni a questo problema. La scoperta del gene DRO1 (DEEPER ROOTING1, ovvero “radici più profonde”) è stata importantissima, in quanto ha dimostrato di poter rendere l’apparato radicale della pianta più massivo e più profondo, aiutando quindi la pianta a resistere a situazioni di scarsità idrica. Lo studio del gene mediante le TEA ha consentito di descrivere con maggiore accuratezza la sua funzionalità, spianando la strada per la sperimentazione futura.  

Qualità. La qualità merceologica del riso è sicuramente un fattore importante per gli agricoltori in quanto impatta fortemente il potenziale economico del lavoro svolto. Tra le caratteristiche importanti da considerare c’è il rapporto tra amilosio e amilopectina del chicco, una caratteristica che influenza la consistenza e la tenuta di cottura, oltre che un fattore da considerare se il materiale deve essere sottoposto a parboilizzazione o pre-cottura. In riso, il contenuto di amilosio è controllato dal gene Waxy. Mediante le TEA tale gene è stato mutato, in modo da poter modulare la sua attività, regolando quindi il contenuto in amilosio. Tale scoperta offre la possibilità di adattare il prodotto alle esigenze del mercato. Un altro fattore importante per la qualità di un prodotto è sicuramente il gusto. In quest’ottica si sono sfruttate le tecniche TEA per migliorare varietà non aromatiche in modo che producessero composti aromatici, inserendo il gene BADH2 proveniente da altre varietà apprezzate per questa caratteristica. Una caratteristica peculiare del riso Oryza rufipogon, la variante selvatica del riso coltivato, sono i suoi semi rossi, che possiedono un alto contenuto di antocianine, composti ben noti per le loro proprietà benefiche. Le varietà di riso a granella bianca possiedono lo stesso gene di Rufipogon, ma con un “errore” che lo rende inattivo; da qui il colore pallido della granella. Con una tecnica TEA è stato corretto l’errore, riportandolo allo stato originale (tutt’ora presente nella specie rufipogon): il risultato è una pianta con caratteristiche agronomiche delle varietà moderne pressoché immutate, ma che producono chicchi rossi, una caratteristica sicuramente molto interessante per il consumatore.  

L’esperienza del CREA con le TEA nel Riso 

All’interno del progetto BIOTECH finanziato dal Masaf e coordinato dal CREA, il CREA Cerealicoltura e Colture Industriali ha avviato un programma di miglioramento genetico mediante le TEA (con il sottoprogetto SUSRICE). Nell’ambito di SUSRICE le TEA sono state applicate su tre geni di riso, nelle varietà del CREA Vialone Nano e Roma, con l’obiettivo finale di realizzare un nuovo ideotipo di pianta, con migliorata resilienza e sostenibilità. In particolare, le attività sono state focalizzate su tre geni precedentemente descritti: DRO1, che influenza l’angolo di crescita delle radici, allo scopo di renderle più profonde, migliorando quindi l’efficienza di uso dell’acqua, NRT1.1B, che aumenta l’efficienza di assorbimento del nitrato, per migliorare quindi l’efficienza di uso dell’azoto, e IPA1, che regola l’architettura della pianta, per migliorarne la capacità produttiva. I risultati dell’attività, svolta in collaborazione con (il gruppo di ricerca del professor Fabio Fornara del) l’Università di Milano, sono molto incoraggianti. Le piante di Vialone Nano e Roma trasformate hanno prodotto semi dai quali sono state generate piantine, che sono in corso di valutazione per i caratteri oggetto di miglioramento. 

Per quanto riguarda il gene per il trasportatore di nitrato, NRT1.IB, ad esempio, le prime valutazioni sono molto incoraggianti. In Figura 3 si può osservare la differenza di crescita della varietà Roma nativa (a destra) rispetto alla stessa varietà “editata” (a sinistra), al decimo giorno dalla messa a germinazione in un terreno liquido contenente nitrato come fonte di azoto. Nonostante il test sia da confermare con ulteriori prove, è evidente il maggiore vigore, in termini di lunghezza sia del culmo, sia delle radici, nelle piantine “editate” con le TEA (A). 

Figura 3 – Differenza di crescita della varietà Roma (B), rispetto alla stessa varietà con la variante editata del gene NRT1.1B (A), al decimo giorno dalla semina in un terreno liquido contenente nitrato come fonte di azoto. Si può notare come, a parità di tempo e condizioni di crescita, le piantine editate abbiano gli apparati radicale e vegetativo più sviluppati.

Se i risultati preliminari saranno confermati, oltre che in laboratorio, anche in pieno campo, (non appena sarà possibile), le piante così migliorate potranno davvero contribuire in modo significativo alla sostenibilità e competitività della risicoltura, e al raggiungimento degli obiettivi del Green Deal e della strategia Farm to Fork, che sono al centro delle attuali priorità dell’UE. 

In conclusione, la comunità scientifica si sta da sempre impegnando per offrire soluzioni al mondo dell’agricoltura, anche con l’applicazione di nuove tecnologie come le TEA, che necessitano però ancora un riconoscimento legislativo a livello europeo e quindi nazionale. Le opportunità offerte dagli avanzamenti della conoscenza scientifica sono enormi e potrebbero potenzialmente velocizzare e rendere più precisi tutti i programmi di miglioramento varietale del riso, con nuove varietà più “attrezzate” a produrre sostenibilmente in condizioni di scarsità d’acqua e cambiamenti climatici. Una popolazione mondiale che ha già raggiunto gli 8 miliardi persone e non dà segni di fermarsi, almeno fino al 2050, impone di investire in ricerca, per tutte le possibilità che essa già offre e che potrà offrire.  

Patrizia Vaccino
Dirigente di ricerca, CREA Centro 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)

Francesca Sansoni
Assegnista di ricerca, CREA Centro Cerealicoltura e Colture Industriali

Laurea Specialistica in Biologia Ambientale – Syddansk Universitet (2015) e in Biodiversità ed Evoluzione Biologica – Università degli Studi di Milano (2019). Assegnista di ricerca presso CREA-CI, sede di Vercelli. 

#lafrase [nature starts] from so simple, beginning endless forms most beautiful and most wonderful have been, and are being, evolved (Charles Darwin, The Origin of Species) 

Elisa Bianchi

Laurea magistrale in Biologia – Nutrizione e Ambiente – Università degli Studi del Piemonte Orientale “A. Avogadro”, Vercelli (2022). 

#lafrase Nulla si crea, nulla si distrugge, tutto si trasforma (A. L. De Lavoisier)  

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.

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