Ultima frontiera del miglioramento genetico delle piante coltivate, le TEA (Tecnologie di Evoluzione Assistita) sono uno strumento potente per rendere l’agricoltura più sostenibile, limitando l’uso di fitofarmaci, migliorando il valore nutrizionale degli alimenti e assicurando la produzione agricola. Includono fondamentalmente due metodiche, la cisgenesi e il genome editing, in grado di riprodurre l’evoluzione naturale, dandole l’accelerazione necessaria per stare al passo con l’incredibile velocità dei cambiamenti climatici. Cosa sta facendo la ricerca, in particolare quella del CREA?
Le New Breeding Techniques, in Italia note come Tecnologie di Evoluzione Assistita (TEA) rappresentano l’ultima frontiera del miglioramento genetico delle piante coltivate ed includono fondamentalmente due metodiche: la cisgenesi e il genome editing. Si tratta di moderne biotecnologie che, con una operazione estremamente specifica di “taglia e cuci” del DNA, sono in grado di inserire una mutazione all’interno del gene di interesse dell’organismo che si vuole modificare.
In ogni specie vegetale, i geni che compongono il genoma possono essere presenti in forme leggermente diverse (varianti geniche) tra le sottopopolazioni della stessa specie: queste diverse “versioni” del gene, pur condividendo la stessa funzione specifica, possono conferire caratteristiche leggermente diverse all’individuo che le esprime. Un esempio tra tutti è la variabilità di forma e colore del frutto, che si può trovare nelle diverse varietà di pomodoro coltivato. Con le TEA diventa possibile introdurre varianti su geni specifici allo scopo di migliorare le varietà esistenti, nell’ottica di ottenere prodotti agroalimentari maggiormente sostenibili per l’ambiente, più produttivi, con migliorate qualità nutrizionali, resistenti ai parassiti o più tolleranti ai cambiamenti climatici, risultando quindi vantaggiosi per l’agricoltore e il consumatore.
Cisgenesi e genome editing: somiglianze e differenze
È importante sottolineare che, alla fine del processo di miglioramento, il genoma della pianta ottenuta con le TEA non contiene alcun gene che conferisce resistenza ad antibiotici o erbicidi, né frammenti di DNA esogeno, a differenza dei più classici OGM (Organismi Geneticamente Modificati), ottenuti con l’introduzione di geni di specie estranee negli organismi di interesse (transgenesi).
In particolare, con la cisgenesi è possibile introdurre, nei genomi delle piante di interesse, varianti geniche provenienti dalla stessa specie o da specie sessualmente compatibili; i geni trasferiti mantengono le stesse caratteristiche strutturali e di orientamento della pianta di provenienza, conservando quindi le informazioni genetiche su come, dove e quando il cisgene deve essere espresso. Si potrebbe ottenere lo stesso risultato attraverso l’incrocio classico, ma con tempi di selezione della nuova varietà molto più lunghi e con un grado di precisione nettamente più basso. Infatti, con l’incrocio normalmente si inseriscono, oltre al gene di interesse, anche altri geni posizionati nelle sue vicinanze e ad esso ancorati, mentre, al contrario, con la cisgenesi solo e soltanto il gene prescelto viene veicolato e inserito nel genoma della pianta.
Il genome editing invece è una metodica di mutagenesi sito-diretta in grado di indurre mutazioni estremamente specifiche sul gene prescelto. I geni così mutati possono acquisire, perdere o modificare la loro funzione, conferendo alla pianta nuove proprietà e portando quindi ad un incremento della biodiversità agricola.
Le mutazioni generate attraverso genome editing sono indistinguibili da quelle che spontaneamente avvengono in natura o che vengono indotte con metodi chimici o fisici (utilizzate sin dalla metà del XX secolo). Gli eventi di mutazione naturale sono casuali e non controllabili, ossia non è possibile a priori determinare su quale gene o porzione di esso avvengano e, soprattutto, non è possibile prevederne la frequenza. Inoltre, ci possono volere millenni per l’insorgenza di mutazioni spontanee che determinino la comparsa di caratteri utili per la pianta coltivata di interesse.
Al contrario, le mutazioni puntiformi create con il genome editing, sono mirate in un punto preciso -conosciuto a priori per l’effetto che produce la modifica sulla pianta – e controllate a posteriori dopo la mutagenesi, mediante analisi molecolari.
CRISPR/Cas: le forbici molecolari
La tecnica del genome editing più utilizzata è quella del CRISPR/Cas. Il nome sembra uno scioglilingua, ma non è altro che una naturale strategia di difesa batterica contro le infezioni virali. Questo sistema si basa sulla capacità di un particolare enzima isolato in un batterio, la nucleasi Cas, di tagliare il DNA in maniera specifica. Questo taglio permette al batterio di degradare il DNA del virus che lo ha infettato e quindi di proteggersi dall’infezione. La più peculiare caratteristica di questo enzima è la sua programmabilità, grazie alla quale ha fatto diventare le tecniche basate sul CRISPR lo strumento di “chirurgia molecolare del DNA” più potente al momento disponibile. Infatti, dando delle specifiche istruzioni (sotto forma di RNA guida), la nucleasi può essere indirizzata verso lo specifico gene che si vuole modificare, in modo che venga tagliato nel punto riconosciuto dalla guida. Sfruttando poi il normale sistema di riparo del DNA presente nelle cellule, il taglio viene riparato. Molto spesso nella fase di riparazione della regione tagliata si generano errori casuali nella sequenza di DNA, ovvero si creano mutazioni proprio nel sito riconosciuto dal complesso Cas-guida.
La nucleasi più utilizzata nel sistema CRISPR è la Cas9; tuttavia, negli ultimi anni si è assistito ad una continua evoluzione delle tecnologie CRISPR, in parte grazie alla disponibilità di innumerevoli varianti naturali o artificiali delle nucleasi Cas, con caratteristiche diverse, che consentono di essere talvolta più efficaci, talvolta più specifiche, oppure di raggiungere siti del genoma altrimenti inaccessibili. In aggiunta, più recentemente sono emerse nuove tecnologie basate su CRISPR molto sofisticate, come il Prime Editing, il Base Editing o il Gene-Targeting, che riescono ad introdurre nel sito specifico mutazioni predeterminate, generando così delle nuove varianti geniche “su misura”.Per questo al CREA Genomica e Bioinformatica (CREA GB), oltre ad applicare le metodiche CRISPR più convenzionali con diverse nucleasi, stiamo anche sperimentando con successo il Prime Editing e il Gene-Targeting. Inoltre, sono in fase di messa a punto protocolli per il Base Editing e, nell’ambito di una collaborazione con altri Enti di ricerca, stiamo valutando le performance di nuove nucleasi Cas di recente scoperta, finora mai impiegate per l’editing nelle piante.
Qualche esempio
Con le TEA, in particolare con l’incredibile varietà di strumenti molecolari del CRISPR a disposizione della comunità scientifica, si è ormai aperta una nuova epoca “Biotech” per il miglioramento genetico delle piante. Sono molti le applicazioni delle TEA presenti nella letteratura scientifica: a partire da piante di grano le cui cariossidi attraverso inattivazione genica sono state arricchite in ferro e zinco, per ridurre l’accumulo di acido fitico, che inibisce l’assorbimento intestinale di alcuni minerali, tra questi proprio ferro e zinco. Inoltre, diversi frutti e cereali sono stati arricchiti in provitamina A mediante CRISPR, tra questi riso, banana, melone e pomodoro.
Molto importanti sono anche lo studio e la elaborazione di varietà maggiormente resistenti agli organismi patogeni: tra queste è stata ottenuta una varietà di grano resistente all’oidio, una parassitosi determinata da funghi Ascomycota. Grazie alla tecnica CRISPR è stato inattivato il gene che rende le piante maggiormente sensibili alla malattia e, dal momento che l’oidio attacca circa 10.000 specie vegetali, questa scoperta potrà avere importanti implicazioni per molte altre piante.
Al CREA GB, principalmente nell’ambito dei progetti BIOTECH (MASAF), AGRITECH (PNRR) e SMART-BREED (Regione Lazio), le TEA sono il fulcro dell’attività scientifica, sia fondamentale che applicata, finalizzata al miglioramento genetico di diverse specie. In particolare, l’attività in pomodoro ha recentemente portato alla realizzazione di una linea che accumula provitamina D (importante per la salute delle ossa e del sistema immunitario) rappresenta un esempio semplice, però di grande impatto, di come un intervento genetico “chirurgico” possa creare piante biofortificate, in grado di contrastare carenze nutrizionali. Ma si sta lavorando, in collaborazione con il CNR, anche a piante di pomodoro e lattuga in cui è cambiato il tempo di fioritura, oppure modificata l’architettura in risposta ai cambiamenti ambientali, e che siano in grado di sviluppare una accentuata resilienza alla carenza idrica.
Questa è solo la punta dell’iceberg, molti altri laboratori del CREA sono al lavoro con le TEA su numerose specie ortive, cerealicole, floricole, aromatiche ed arboree, per lo sviluppo di varietà resistenti all’attacco di patogeni e a stress abiotici o con caratteristiche qualitative migliorate.
Si occupa, attraverso metodiche di Genome Editing in pianta, dello studio del metabolismo secondario e della capacità di risposta a stress ambientali.
#lafrase Cerca di dare un senso a ciò che vedi e domandati sempre per quale motivo tutto esiste. Sii sempre curioso (Stephen Hawking)
#lafrase Una buona pratica preliminare di qualunque altra è la pratica della meraviglia (C.Candiani)
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)
