Dal miglioramento delle filiere dei principali cereali e di piante industriali al sequenziamento del genoma di grano duro (incluso il più ambizioso progetto di “pangenoma” delle specie di grano tetraploidi, ossia grano duro, farri, altre specie selvatiche e coltivate), passando per la conservazione e valorizzazione dell’agrobiodiversità, fino ad arrivare alla valorizzazione, in un’ottica di economia circolare, di biomasse e molecole bio-based, biomolecole anche ad uso terapeutico o per l’industria manifatturiera, farmaceutica, cosmetica e nutraceutica. Scopriamo la ricerca scientifica e gli strumenti implementati dal centro di Cerealicolture e colture Industriali per l’innovazione sostenibile dei sistemi cerealicoli e industriali. 

Grano duro e pasta alla prova del cambiamento climatico 

La pasta, prodotto di eccellenza del Made in Italy e del nostro export agroalimentare, si fa con il grano duro di qualità. E perché si diffonda sempre di più il prodotto 100% italiano, gli agricoltori devono poter produrre grano in quantità e qualità, anche nelle difficili condizioni imposte dal cambiamento climatico. Per vincere questa sfida servono le varietà di grano del futuro, più resistenti, più produttive, a qualità stabilmente elevata, se adeguatamente gestite. E non è un paradosso: per poter dare agli agricoltori il seme del grano del futuro, serve più scienza. Più ricerca scientifica e più risultati da trasferire in innovazioni. Facciamo qualche esempio? Al CREA, presso il nostro Centro,

abbiamo individuato i geni di resistenza comuni per tollerare quattro patogeni fungini diversi. Recentemente, in almeno un paio di scoperte, abbiamo identificato le cosiddette “firme” genetiche della selezione del grano da parte dell’uomo, attraverso il processo di addomesticamento e la più recente storia di miglioramento varietale. Ad esempio, il passaggio dal farro al grano duro moderno ha portato con sé specifiche varianti del glutammato deidrogenasi, gene chiave per il metabolismo dell’azoto e, quindi, per la sintesi delle proteine della qualità del grano. Da pochi mesi, utilizzando modelli di selezione genomica, abbiamo aperto la strada per la selezione contemporanea di produzione e qualità del grano, strada che si è sempre ritenuta molto difficoltosa e legata ad una, apparentemente inscindibile, correlazione inversa tra i due obiettivi. 

Il Centro partecipa a importanti progetti di genomica del grano duro; dopo il sequenziamento della prima versione del genoma della varietà Svevo, stiamo collaborando alla seconda edizione del genoma di grano duro, e al più ambizioso progetto di “pangenoma” delle specie di grano tetraploidi (grano duro, farri, altre specie selvatiche e coltivate), che intende fornire un quadro ampio della diversità, complementarietà e similarità di alcune decine di genomi sequenziati. Nella edizione perfezionata del genoma della varietà Svevo, il nostro contributo di analisi bioinformatica ha individuato, cercando un vero “ago nel pagliaio” tra migliaia di dati, un “master regulator”, cioè un vero e proprio interruttore chiave per la risposta a stress da siccità del grano duro, sul quale il miglioramento genetico potrebbe agire, anche attraverso tecniche di evoluzione assistita, le cosiddette TEA. 

Biodiversità tesoro per l’umanità 

Ne siamo profondamente convinti: la Biodiversità, non solo vegetale, è essenziale per la sopravvivenza umana e del pianeta, per la salute degli ecosistemi e la resilienza dell’ambiente naturale e coltivato. Proteggere e conservare la biodiversità vegetale significa garantire la continuità di questi benefici essenziali. Il CREA Cerealicoltura e Colture Industriali possiede tra le più importanti collezioni di biodiversità delle specie erbacee a livello nazionale e il loro studio  è la colonna portante dell’attività del Centro, perché accrescere la conoscenza approfondita, genetica, del genoma, dei metaboliti, della fisiologia delle nostre collezioni, significa poterla offrire alla società sia come piante “pronte all’uso” che come basi della creazione di nuove varietà, sempre più resilienti ai cambiamenti climatici. 

Numerosi sono i progetti, su scala nazionale ed internazionale, ai quali partecipiamo, per la valorizzazione finale di questa preziosa risorsa, in primis il Programma RGV-FAO. L’acronimo sta ad indicare “Risorse Genetiche Vegetali – Trattato FAO”. Si tratta infatti di un programma, finanziato dal MASAF e in corso da molti anni, per garantire la conservazione e lo studio delle nostre collezioni, tesoro di diversità. Conserviamo nei freezer e celle frigorifere dopo averle riprodotte, i semi di migliaia o centinaia di tipi diversi di specie strategiche per l’agricoltura: dal grano – tenero e duro – al riso, al fagiolo, alla patata, girasole, lino, e molte altre.  

Nel progetto Europeo AGENT, il Centro lavora all’unisono con altri 17 partner, europei, ma non solo, per costituire una rete internazionale di banche del germoplasma o banche del seme che “parli la stessa lingua” e unisca le forze per far fiorire il potenziale genetico in esse raccolto anche da secoli di lavoro, rendendolo fruibile a tutta la Società europea, dagli scienziati agli agricoltori fino ai costitutori delle varietà del futuro. Abbiamo studiato il DNA di più di 12.000 diverse linee di grano tenero e orzo e stiamo identificando i semi e i tratti di DNA, che in essi portano a migliori caratteristiche di produzione, di resistenza alle malattie o alla siccità causata dal cambiamento climatico.  

In due altri importanti progetti finanziati dall’Unione Europea e dal programma PRIMA per il Mediterraneo, MineLandDiv e DROMAMED, attraverso lo studio a livello di DNA di collezioni di biodiversità di mais, siamo pronti a individuare varietà di mais tolleranti a vari stress, soprattutto alla siccità indotta dal cambiamento climatico. Partecipiamo al progetto europeo PRO-GRACE, che con i suoi 31 partner da 17 diversi paesi, sta sviluppando una infrastruttura di ricerca europea dedicata alla Biodiversità vegetale. 

In questi anni ci siamo resi conto che l’Italia è un paese ricchissimo di risorse vegetali coltivate localmente, generalmente vecchie varietà, ormai non più competitive a livello produttivo, ma coltivate in piccole nicchie territoriali. Negli ultimi anni sono molti i progetti, finanziati generalmente nell’ambito dei Programmi di Sviluppo Rurale delle varie Regioni, che ci vedono coinvolti nel recupero di queste risorse a “rischio di estinzione”, dal frumento al mais, dal fagiolo alla patata. 

Piante come Biofabbriche: la terza rivoluzione verde 

No al carbon fossile, la terza rivoluzione verde è già nelle nostre mani! Le piante sono incredibili officine chimiche naturali, produttrici di molecole semplici e complesse, dette fitochimici, che grazie alle loro diverse proprietà sono il punto di partenza per far crescere le bioraffinerie verdi. Il Centro studia e realizza soluzioni innovative per la sostenibilità dei sistemi agro-industriali in un’ottica di economia circolare, nella quale scarti e sottoprodotti dell’industria agro-industriale (o gli stessi prodotti vegetali o ancora i prodotti della lavorazione di colture industriali multiuso e anche cerealicole) sono risorse di biomolecole. Le Biomolecole, estratte o all’interno di biomasse attive, sono gli ingredienti del futuro della Bioeconomia. 

Il Centro studia e sviluppa nuove varietà di cereali e altre specie (frumento, mais, patata) naturalmente ricche in antocianine, dal colore rosso scuro, che sono non solo pigmenti vegetali, ma anche biomolecole dalle note proprietà antiossidanti, per ottenere prodotti alimentari ad elevata valenza salutistica. 

Nel progetto PON COMETA cioè “Colture autoctone mediterranee e loro valorizzazione con tecnologie avanzate di chimica verde” abbiamo sviluppato la coltivazione in aree semi-aride del Mediterraneo di specie Brassicacee da olio (senapi e rucole). Le loro Biomolecole chiave sono i glucosinolati, abbondanti nei semi e nel residuo dell’estrazione degli olii. Opportunamente formulate, abbiamo dimostrato che queste possono trattare con successo patologie cardiovascolari, sindrome metabolica e dolore neuropatico. Il cardo (Cynara cardunculus) è un’altra pianta Biofabbrica. Dopo l’estrazione di Inulina dalla sua biomassa, la biomassa residua, steli e radici, può ancora essere riutilizzata con vantaggi produttivi come substrato per la coltivazione di funghi alimentari come il “cardoncello” (Pleurotus eryngii). Nel progetto SUSinCER – Sustainable Use Of Bioactive Compounds From Brassicaceae And Solanaceae Wastes For Cereal Crop Protection, con gli scarti di trasformazione agroindustriale della patata (la buccia, ricca in composti bioattivi come fenoli e glicoalcaloidi) e della rucola (panelli residui di disoleazione ricchi in glucosinolati), abbiamo sviluppato altri circuiti di economia circolare, sfruttando le Biomolecole estratte da questi scarti quali Fitofarmaci naturali, per il controllo di infezioni fungine nel grano e altri cereali. Studiamo anche la canapa (Cannabis sativa L.), perché è uno storico esempio di Biofabbrica di molteplici molecole con diverse funzioni, pertanto non solo i fitocannabinoidi, ma anche terpeni e flavonoidi. Il progetto PON UNIHEMP “Utilizzo di biomassa da canapa industriale per la produzione di energia e nuovi biochemicals” ha estratto dagli scarti della lavorazione del seme (foglie e parti del fiore) queste Biomolecole, e ha sviluppato prototipi per l’industria manifatturiera, farmaceutica, cosmetica e nutraceutica. 

Research Centre for Cereals and Industrial Crops. The future is now: genetic resources and biomolecules 

From improving major cereals and industrial crops supply chain, to sequencing the genome of durum wheat (including the ambitious “pangenome” project of tetraploid wheat species, such as durum wheat, emmer, and other wild and cultivated species), through the conservation and enhancement of agrobiodiversity, to the valorisation, within a circular economy perspective, of biomass and bio-based molecules, including biomolecules for therapeutic use or for the manufacturing, pharmaceutical, cosmetic, and nutraceutical industries. Let’s explore the scientific research and tools implemented by the Cereal and Industrial Crops Research Centre cereal and industrial systems sustainable innovation. 

Durum wheat and pasta facing the climate change challenge. 

Pasta, an excellent product of Made in Italy and of our agrifood exports, is made with high quality durum wheat; and to increase the diffusion of a 100% Italian product, farmers must be able to produce wheat, high in quality and quantity, even in the difficult conditions due to climate change. To overcome this challenge, we need the ‘future wheat’ varieties, more resistant, more productive, with consistently high quality, if properly managed. It is not a paradox: to give farmers the seeds of “future wheat” we need more science. More scientific research and more results to be translated into innovations. Some examples: at CREA, in our Research Centre,

we identified common resistance genes for four different fungal pathogens. Recently, in a couple of discoveries, we identified the so-called genetic “signatures” of human selection of wheat through the domestication process and the recent history of breeding; for example, the transition from emmer to modern durum wheat brought with it specific variants of the glutamate dehydrogenase gene, a key gene for nitrogen metabolism and, therefore, for the synthesis of gluten proteins. A few months ago, using genomic selection models, we have paved the way to the simultaneous selection for yield and quality, until now considered difficult to achieve, linked to an apparently inseparable inverse correlation between the two objectives. 

The Centre takes part in important durum wheat genomics projects; after the sequencing of the first version of the cultivar Svevo genome, we are collaborating on the second edition of the durum wheat genome, and on the most ambitious “pangenome” project of tetraploid wheat species (durum wheat, emmer, other wild and cultivated species), aiming to provide a broad picture of the diversity, complementarity and similarity of a few dozen sequenced genomes. In the perfected version edition of Svevo genome, our bioinformatic analysis has allowed to identify, like looking for “a needle in a haystack” among thousands of data, a “master regulator”, a real key switch in durum wheat for the response to drought stress, on which breeding could act, also through new breeding technologies, the so-called NBT. 

Biodiversity, a treasure for humanity 

We are deeply convinced that biodiversity, not only plant diversity, is essential for human and planet survival, for ecosystems health and for natural and cultivated environment resilience. Protecting and saving plant biodiversity means ensuring the continuity of these essential benefits. The Research Centre of Cereal and Industrial Crops has the richest collections of biodiversity of herbaceous species at CREA. The study of these collections is one of the main pillars of our research activity, because increasing the genetic, genomic, metabolomic and physiological knowledge of our collections means being able to offer it to society both as “ready-to-use” plants and as the basis for the release of new varieties increasingly resilient to climate change. 

There are numerous projects, at national and international scale, in which we participate, for the valorization of this precious resource, primarily the RGV-FAO Program. The acronym stands for “Plant Genetic Resources – FAO Treaty”. It is in fact a program, financed by MASAF and that have been going on for many years, to guarantee the conservation and study of our collections, treasure of diversity. After their reproduction, we store in freezers and cold rooms the seeds of thousands or hundreds of different types of strategic species for agriculture, from wheat, soft and durum, to rice, beans, potatoes, sunflowers, flax, and many others. In the European AGENT project, CREA-CI collaborates with 17 partners, European but not only, to establish an international network of gene banks, or seed banks, that “are on the same page”, and join forces to make the genetic potential collected in them, also from centuries of work, making it accessible to the whole society, from scientists to farmers, to the breeders. We have studied the DNA of more than 12,000 different lines of bread wheat and barley and we are identifying the seeds and the DNA sequences that lead to better yield, disease and drought resistance. In two other important projects funded by the European Union and by the PRIMA program for the Mediterranean, MineLandDiv and DROMAMED, respectively, through the maize collections at the DNA level, we can identify maize varieties tolerant to several stresses, mainly drought, caused by climate change. We participate also in the European project PRO-GRACE, with 31 partners from 17 different countries, which is developing a European research infrastructure dedicated to plant biodiversity. In recent years, we gained the knowledge that Italy is very rich in “local” plant resources, usually old varieties, no longer competitive on a production scale, but cultivated in small territorial niches. In recent years, we have been involved in many projects, mainly funded within the Rural Development Programs of the different Regions, aiming at the recovery of these resources at “risk of extinction”, from wheat to corn, from beans to potatoes. 

Plants as Biofactories: the third green revolution 

No to fossil carbon, the third green revolution is already in our hands! Plants are incredible chemical biofactories, producers of simple and complex molecules, called phytochemicals, which, thanks to their different properties, are the starting point for growing green biorefineries. The Centre studies and develops innovative solutions for agro-industrial systems sustainability from a circular economy perspective, in which waste and by-products, either the plant products themselves, or the products of the processing of industrial and cereal crops are sources of biomolecules. Biomolecules, both extracted or within active biomass, are the key for the future of Bioeconomy. The Centre studies and develops new varieties of cereals and other species (wheat, corn, potato) naturally rich in dark red coloured anthocyanins, which are not only plant pigments, but also biomolecules with well-known antioxidant properties, to obtain food products with an added value for the consumer health. In the PON COMETA project, standing for “Colture autoctone mediterranee e loro valorizzazione con tecnologie avanzate di chimica verde – Native Mediterranean crops and their valorization with advanced green chemistry technologies” we have developed the cultivation of oil-producing Brassicaceae species (mustard and rocket) in semi-arid areas of the Mediterranean. Their key biomolecules are glucosinolates, plenty in the seeds and in the residues from oil extraction. We have demonstrated that, when properly formulated, these Biomolecules can successfully treat cardiovascular diseases, metabolic syndrome, and neuropathic pain. The thistle (Cynara cardunculus) is another Biofactory plant. After the extraction of Inulinits residual biomass, stems and roots can still be reused as a substrate for the cultivation of mushrooms such as the “cardoncello” (Pleurotus eryngii). In the SUSinCER – Sustainable Use Of Bioactive Compounds From Brassicaceae And Solanaceae Wastes For Cereal Crop Protection- project, with the agro-industrial processing waste of potato (the peel, rich in bioactive compounds such as phenols and glycoalkaloids) and of rocket (residual oil cakes rich in glucosinolates), we have developed another circular economy circuit, exploiting the biomolecules extracted from these wastes as natural pesticides, for the control of fungal infections in wheat and other cereals. We are also studying hemp (Cannabis sativa L.), because it is a historic example of a biofactory for multiple molecules with distinct functions, therefore, not only phytocannabinoids, but also terpenes and flavonoids. The PON UNIHEMP project “Use of biomass from industrial hemp for the production of energy and new biochemicals” has extracted these biomolecules from seed processing waste (leaves and parts of the flower), and has developed prototypes for the manufacturing, pharmaceutical, cosmetics and nutraceuticals industry. 

#lafrase Non saranno la luce e il chiarore del sole a farci uscire dalle tenebre, ma la conoscenza delle cose (Lucrezio, De Rerum natura) 

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

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)