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mercoledì, 27 Ottobre 2021

Next generation cereals: ecco i cereali del futuro, grazie al Genome Editing

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Il CREA, con il sequenziamento del genoma dei cereali, punta a selezionare varietà resistenti ai cambiamenti climatici e ai patogeni, coniugando al contempo una maggiore produttività con la sostenibilità ambientale

Se la pasta, ma soprattutto il pane, sono tra i prodotti più antichi che si ottengono dai frumenti, le sequenze dei genomi di frumento duro e frumento tenero sono invece tra le più recenti ad essere state decifrate. Il motivo è facilmente intuibile, se si pensa che il genoma del frumento duro è quattro volte quello umano. Ma non basta perché la situazione è complicata dal fatto che di tratta di genomi sono poliploidi ovvero duplicati. In altre parole, mentre nell’uomo ogni gene è presente in doppia copia, nel frumento duro troviamo quattro copie per ogni gene e ben sei nel frumento tenero. Questa complessità è stata da sempre un grosso ostacolo per la ricerca, che mira a coltivare varietà sempre più produttive e resistenti alle minacce ambientali, siano esse cambiamenti climatici o patogeni che distruggono i raccolti. Da sempre, il breeding, ossia i programmi di incroci tra varietà selezionate, ha migliorato le caratteristiche dei frumenti, ma non abbastanza. La continua crescita demografica, i cambiamenti climatici e la consapevolezza di non poter sfruttare più terra di quanta oggi ne coltiviamo sono i motivi per cui la ricerca è tuttora chiamata ad aumentare le rese dei cereali e la loro resistenza a climi aridi o a patogeni in continua evoluzione.

Il nuovo strumento che la scienza può usare oggi per introdurre cambiamenti mirati nei genomi si chiama “Genome Editing”. Si tratta di uno strumento estremamente potente e di precisione, che permette di modificare anche solo una base nel DNA. Sembra un cambiamento irrisorio, ma, se si conosce la funzione dei geni, si sa che un piccolo cambiamento a livello di sequenza genica può indurre modifiche eclatanti a livello funzionale.

Il CREA sta utilizzando proprio la tecnica del Genome Editing per modificare sequenze specifiche nei genomi di cereali come frumento, orzo e riso. Abbiamo diversi obiettivi a seconda della specie su cui lavoriamo.

Il progetto Wh-ITALY, realizzato presso il CREA Cerealicoltura e le Colture Industriali di Foggia, si propone di ottenere linee migliorate di frumento tenero sia per caratteri alimentari che agronomici. I ricercatori hanno scoperto come modificare i geni delle gliadine (le proteine che attivano la risposta autoimmune negli individui affetti dal morbo celiaco) nel frumento tenero. Con queste linee sarà quindi possibile ottenere una farina meglio tollerata dalle persone affette da celiachia. Il lavoro procede in parallelo con lo sviluppo di varietà che siano resistenti a stress ambientali multipli e che mostrino una resistenza durevole ai patogeni fungini.

Presso il CREA Genomica e la Bioinformatica di Fiorenzuola d’Arda (PC) il progetto Wheadit ambisce ad identificare i geni di frumento duro che regolano la dimensione e il numero dei semi. Sappiamo che non è per nulla semplice aumentare la resa lavorando su un singolo carattere: dimensione o numero di semi. Abbiamo infatti imparato che esiste un meccanismo omeostatico, una sorta di riequilibrio naturale, per cui all’aumento della quantità di semi prodotti segue spesso una riduzione delle loro dimensioni. Quello che vogliamo fare è “sbloccare” questo meccanismo, stiamo cercando i geni che lo regolano e li stiamo modificando affinché sia possibile migliorare più caratteri della resa nella stessa pianta. Un aiuto rilevante nel raggiungere l’obiettivo ci viene dalle specie che usiamo come modello, in questo caso orzo e riso. Le specie modello altro non sono che organismi più semplici dal punto di vista genomico: sia orzo che riso sono diploidi, il loro genoma è presente solo in doppia copia e, soprattutto, è molto più piccolo di quello del frumento. Le informazioni che otteniamo da orzo e riso ci servono come base per lavorare sul frumento, perché ci permette di testare su di esso solo le ipotesi che si sono rivelate corrette.

Diversità orzo

Come si può ben immaginare, il riso non è unicamente un modello genomico per il frumento, ma è esso stesso un target importante del miglioramento genetico. I ricercatori del CREA Cerealicoltura e le Colture Industriali di Vercelli hanno pianificato il progetto SUSRICE, con l’obiettivo di migliorare la funzionalità dei geni coinvolti nell’utilizzo di acqua e azoto e nell’architettura della pianta di riso. Le modifiche introdotte porteranno a una pianta con una migliorata efficienza di assorbimento del nitrato, una molecola fondamentale per la sintesi proteica, con un apparato radicale più profondo e sviluppato, per incrementare l’efficienza di uso dell’acqua e con un’architettura tale da consentire un’aumentata resistenza all’allettamento e produzione. A conferma del fatto che il progetto BIOTECH mira anche a rafforzare il made in Italy, SUSRICE ha come oggetto di studio il riso Vialone Nano, una varietà tradizionale italiana.

Nel loro insieme, gli obiettivi dei progetti Wh-Italy, Wheadit e SUSRICE ambiscono a capire come possiamo sviluppare nuove varietà di frumenti e riso che rispondano a molteplici richieste, da quelle del mondo agricolo – resistenza a stress ambientali e alle malattie – a quelle dell’agricoltore stesso, che necessita di aumentare le rese senza trascurare gli aspetti di sostenibilità, arrivando infine al consumatore al quale viene ampliata l’offerta di mercato. Non è facile prevedere quando queste varietà saranno disponibili, ma sappiamo con sicurezza che il Genome Editing è il mezzo più efficace e sicuro per produrle.

Raffaella Battaglia, ricercatrice presso CREA Genomica e Bioinformatica.

Ho studiato per diversi anni questi meccanismi nelle specie modello, oggi mi entusiasma disporre degli strumenti per decifrarli anche nelle specie di interesse agronomico.

#lafrase
Mi appassionano i meccanismi molecolari che regolano lo sviluppo di un organismo, potremmo definirli perfetti e “curati nel dettaglio”

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