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mercoledì, 27 Ottobre 2021

La sostenibilità in frutticoltura

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Il progetto BIOSOSFRU per una frutticoltura competitiva che salvaguardi l’ambiente e il reddito dei frutticoltori

Il progetto BIOSOSFRU è la risposta italiana alla sostenibilità in frutticoltura ed ha come scopo principale quello di migliorare non soltanto la sostenibilità ambientale, ossia la “sostenibilità” nell’accezione del termine più comunemente usata, ma anche la sostenibilità da un punto di vista economico e sociale; economica, in quanto la frutticoltura è un’attività economica che deve produrre utili e un reddito equo per i produttori; sociale, in quanto fornisce prodotti che migliorano la dieta e la salute dei consumatori.

La frutticoltura italiana: luci e ombre

Ovatura di cimice colpita da vespa samurai

Le specie da frutto rappresentano un gruppo di colture di importanza fondamentale per il settore agroalimentare del nostro Paese. L’Italia, per tutta una serie di ragioni storiche e ambientali, è sempre stato uno dei principali produttori frutticoli in Europa: primo produttore per albicocche, ciliegie, pere e kiwi, al secondo posto per mele, pesche e mandorle. Nel 2014, il comparto frutticolo nazionale ha fatturato 3,35 miliardi di euro, pari al 6,7% dell’intero sistema agricolo. Il comparto ortofrutta è uno dei pochi ad avere un bilancio import/export positivo, nonostante stia attraversando una crisi che attanaglia particolarmente le drupacee. La produzione nazionale di pesche e nettarine, ad esempio, nel periodo 2000-2018 ha subìto una contrazione del 34%, retrocedendo il Paese, da secondo produttore mondiale, dopo la Cina, al terzo posto dietro la Spagna. Questa crisi ha motivazioni strutturali interne al nostro Paese, ma si inserisce in un contesto più generale che riguarda il mutamento dei consumi (disponibilità e successo dei frutti tropicali), il costo della manodopera, problemi fitosanitari emergenti (es Drosofila suzukii, cimice asiatica, batteriosi del kiwi), in aggiunta ai problemi fitosanitari endemici.

Il progetto BIOSOSFRU: la risposta italiana alla sostenibilità

Il progetto BIOSOSFRU nasce in questo contesto e ha come scopo primario quello di migliorare la sostenibilità delle produzioni frutticole nazionali, che non va intesa solo nell’accezione più comunemente usata: la sostenibilità ambientale. Quest’ultima, se pur di primaria importanza, anche in considerazione dei cambiamenti climatici in atto, va considerata congiuntamente ad altre componenti. Nel concetto di sostenibilità va inserita la sostenibilità economica. La frutticoltura è un’attività economica e come tale deve produrre utili e un reddito equo per i frutticoltori: senza reddito le imprese chiudono. La frutticoltura ha un ruolo sociale (sostenibilità sociale): fornisce, ad esempio, prodotti che migliorano la dieta e la salute dei consumatori. Le linee guida per una sana alimentazione consigliano un consumo costante giornaliero di frutta per sopperire al fabbisogno di vitamine, sali minerali e fibre. La frutticoltura moderna deve fornire prodotti frutticoli di qualità accessibili a tutte le fasce di reddito per svolgere il suo ruolo sociale.

Le Tecniche di Evoluzione Assistita (TEA) possono avere un ruolo importante nel migliorare la sostenibilità delle specie da frutto. Basti pensare a interventi genetici che migliorano la risposta alle avversità parassitarie che affliggono la frutticoltura italiana. Nel melo, ad esempio, in alcune annate e ambienti si possono effettuare anche fino a 25 trattamenti all’anno per tenere sotto controllo malattie come la ticchiolatura, con aggravi sia per la sostenibilità ambientale (fitofarmaci nell’ambiente) che economica (maggiori costi e perdite nelle produzioni).

Le TEA comprendono due tecnologie di base. Una è il genome editing alle cui scopritrici, è stato assegnato il Nobel. Tale tecnologia si basa su delle forbici molecolari (la proteina CAS), in grado di tagliare il DNA, associate a una sorta di navigatore satellitare, l’RNA guida (o gRNA), che ha la funzione di indirizzare le forbici sulle sequenze target, escludendo le sequenze simili (off target) che sono disseminate nel genoma. La tecnica del genome editing consente di modificare in modo mirato e puntuale il patrimonio genetico delle cultivar, senza introdurre geni esterni alla specie. I genotipi così ottenuti sono del tutto identici a quelli che si otterrebbero attraverso la selezione di varianti naturali o indotte.

L’altra tecnologia alla base delle TEA è la cisgenesi che consente di trasferire singoli geni tra specie sessualmente compatibili. Questo trasferimento potrebbe essere fatto con il classico incrocio, ma con tempi molto più lunghi (le specie arboree hanno un periodo giovanile improduttivo che può arrivare anche a otto anni) e risultati meno precisi in quanto, al contrario del trasferimento mediante cisgenesi, oltre al gene di interesse, vengono trasferite altre sequenze che si trovano nelle sue vicinanze.

Obiettivi e risultati del progetto BIOSOSFRU

Il progetto BIOSOSFRU lavora con sette specie frutticole: due pomacee (melo e pero), tre drupacee (pesco, albicocco e ciliegio), kiwi e fragola. Le specie, i geni, le tecnologie utilizzate e gli obiettivi da perseguire sono riportate nella Tabella 1.

Specie Carattere da modificare Tecnologia Obiettivo
Pesco Resistenza a PPV (Plum Pox Virus) Genome editing Resistenza ad agenti patogeni; sostenibilità ambientale, economica e sociale
Resistenza a RKN (Meloidogyne spp.) in portinnesti di Prunus Cisgenesi Resistenza ad agenti patogeni; sostenibilità ambientale, economica e sociale
Portamento colonnare (Pillar) Genome editing Migliore intercettazione della luce, facilitazione operazioni colturali, migliore qualità; sostenibilità economica e sociale
Fioritura precoce (riduzione giovanilità) Cisgenesi Accelerare i programmi di miglioramento genetico sostenibilità economica
Albicocco Portamento colonnare (Pillar) Genome editing Migliore intercettazione della luce, facilitazione operazioni colturali, migliore qualità; sostenibilità economica e sociale
Ciliegio Portamento colonnare (Pillar) Genome editing Migliore intercettazione della luce, facilitazione operazioni colturali, migliore qualità; sostenibilità economica e sociale
Melo Resistenza a Ticchiolatura (Venturia inequalis) Cisgenesi Resistenza ad agenti patogeni sostenibilità ambientale ed economica
Resistenza al fuoco batterico (Erwinia amylovora) Cisgenesi Resistenza ad agenti patogeni sostenibilità ambientale ed economica
Pero Resistenza al fuoco batterico (Erwinia amylovora) Cisgenesi Resistenza ad agenti patogeni sostenibilità ambientale ed economica
Induzione autocompatibilità Genome editing Aumentare la produttività della coltura, sostenibilità economica
Actinidia Resistenza PSA (Pseudomonas syringae pav actinidiae) Cisgenesi Genome editing Resistenza ad agenti patogeni sostenibilità ambientale ed economica
Fragola Rifiorenza Cisgenesi Aumentare la produttività della coltura, sostenibilità economica

Tra le piante arboree, nell’ambito del progetto Biotech, è attivo POPPINGENE, che ha lo scopo di applicare le TEA per l’ottenimento di nuovi cloni di pioppo modificati per il portamento della pianta e per il contenuto in cellulosa e lignina.

Fiori di pero

Il progetto BIOSOSFRU parte con dei punti di forza: la conoscenza della sequenza dei genomi di interesse: quelli di melo, fragola, pesco, pero, kiwi, infatti, erano stati sequenziati all’epoca della stesura del progetto. E, in questo straordinario risultato, il nostro Paese ha avuto un ruolo primario, partecipando al sequenziamento di 4 dei 5 genomi e coordinando i consorzi internazionali di 3 progetti (melo, pesco e pero). Nel frattempo, dopo l’inizio del progetto, sono state ottenute le sequenze dei genomi di albicocco e ciliegio (con coordinamento italiano per quest’ultima specie). La disponibilità dei genomi sequenziati è fondamentale per disegnare in maniera appropriata il navigatore satellitare (gRNA) escludendo le sequenze simili, difficili da individuare senza un genoma di riferimento.

Tuttavia, la disponibilità di strumenti genetici non può prescindere dalla capacità di integrare i costrutti (ossia le sequenze di DNA contenenti le informazioni per il trasferimento e per l’espressione del gene che si intende inserire) nelle cellule vegetali (trasformazione) e di ottenere, dalle cellule così trasformate, interi individui (rigenerazione). Tale possibilità dipende da molti fattori legati alle condizioni colturali, alle specie e alle varietà utilizzate, al tipo di cellule e tessuti vegetali, al sistema di trasformazione. Il successo delle TEA è strettamente dipendente dalla disponibilità di protocolli di trasformazione e rigenerazione.  Per alcune delle specie frutticole prese in considerazione, questi sistemi sono disponibili e ben collaudati (pomacee, kiwi e fragola). Per le drupacee, invece, ad oggi si hanno difficoltà ad avere protocolli efficienti di trasformazione e rigenerazione. Il CREA Olivicoltura Frutticoltura ed Agrumicoltura (OFA), nell’ambito di un progetto europeo RISE (TESS), ha stabilito una collaborazione con l’INIA di Santiago del Cile per mettere a punto dei protocolli efficienti e superare il collo di bottiglia che esiste per queste specie. 

Per il pesco sono stati presi in considerazione quattro caratteri: la resistenza al virus della Sharka, la resistenza ai nematodi galligeni del genere Meloydogine, il portamento colonnare e la fioritura precoce nei primissimi stadi di vita, per superare il periodo improduttivo (giovanilità) e accelerare le operazioni di miglioramento genetico della specie.

La Sharka è un virus che da decenni sta mettendo in ginocchio la coltivazione delle drupacee nel nostro Paese e la disponibilità di cultivar resistenti, specialmente per il pesco, è un auspicio degli operatori del settore. Per la resistenza a Sharka, attività in collaborazione con CREA DC, sono stati ottenuti dei costrutti per modificare i geni coinvolti nei meccanismi di interazione pianta-patogeno utilizzati per trasformare, tramite infezione con agrobatterio, tessuti embrionali e adulti.

Per il carattere resistenza ai nematodi, che causano danni alle radici, è stata attivata una collaborazione con i colleghi francesi dell’INRA, che avevano isolato il gene di resistenza da mirabolano per provare ad inserirlo mediante cisgenesi in pesco.

Il portamento colonnare consente di aumentare il numero di piante per ettaro e permette una migliore intercettazione della luce al fine di ottenere produzioni più elevate, stabili e di qualità. Il gene che determina il carattere colonnare era stato isolato in pesco e si conoscono le mutazioni che causano il fenotipo. È stato assemblato un costrutto per modificare il gene sia in pesco che in ciliegio e albicocco, grazie all’elevata similarità di sequenza in queste tre specie.

Per ciò che riguarda la fioritura precoce sono stati utilizzati due costrutti, uno cisgenico, per aumentare la concentrazione del segnale che dà il via alla fioritura e, l’altro, basato sul genome editing, con l’obiettivo di distruggere il gene che blocca la cascata dei segnali che danno inizio alla fase produttiva. Foglie, piccioli, nodi di piante allevate in vitro così come embrioni immaturi, sono i tessuti utilizzati per introdurre, mediante agrobatterio, i costrutti genici sopra menzionati. Decine di rigenerazioni ottenute dai tessuti infettati sono attualmente in valutazione per la verifica dell’avvenuta integrazione dei cisgeni o dell’editing genetico.

Nel melo, l’obiettivo primario è quello di ottenere multiresistenza a patogeni come la ticchiolatura e il fuoco batterico, mediante un approccio cisgenico.

Per la ticchiolatura verranno inseriti due diversi geni per prevenire il superamento della resistenza a causa dell’evoluzione del patogeno. La resistenza a ticchiolatura è uno degli obiettivi primari per garantire la sostenibilità ambientale (meno trattamenti), economica (meno input, più rese) e sociale (prodotti sani, a prezzi accessibili, senza residui). Per valutare l’importanza delle TEA basti pensare che per ottenere varietà di melo resistenti a ticchiolatura via incrocio con Malus floribunda, una specie selvatica affine resistente, sono occorsi circa 70 anni con risultati poco soddisfacenti; quelle varietà, sviluppate a partire dagli anni Novanta, non hanno riscosso le preferenze dei consumatori. Lo stesso gene di Malus floribunda può essere trasferito, via cisgenesi, in una varietà moderna (Gala, Fuji, Golden Delicious) in maniera diretta e veloce e senza altre sequenze geniche che potrebbero alterare alcune delle caratteristiche qualitative. Queste attività verranno condotte da un partner esterno al CREA che è stato recentemente selezionato: la Fondazione Edmund Mach di San Michele all’Adige (TN).

Per il pero la resistenza al fuoco batterico e l’autocompatibilità sono i due obiettivi da perseguire. Il fuoco batterico causa enormi problemi alla pericoltura italiana da circa 30 anni. Il gene di resistenza, isolato in un melo selvatico, verrà introdotto mediante approccio cisgenico. Il pero, come molte specie frutticole, è autoincompatibile, cioè il fiore, benché completo nella parte maschile e femminile, non è in grado di autofencondarsi. Per questo i frutticoltori sono costretti a inframezzare, tra le piante della cultivar principale, una cultivar che produce polline compatibile. Questo va a scapito dell’uniformità, della resa e della stabilità delle produzioni. Questi obiettivi sono portati avanti da un partner esterno, l’Università degli Studi di Bologna. Dall’analisi bioinformatica dei geni S (di autoincompatibilità), sono state individuate le sequenze da utilizzare come RNA guida e sono stati ottenuti due costrutti per la modifica dei geni S. Prove preliminari di infezione sono state effettuate sulla cultivar Conference.  Per il fuoco batterico si hanno costrutti genici che saranno presto utilizzati.

Kiwi danneggiato

La batteriosi del kiwi (PSA) è una malattia devastante che ha messo in ginocchio un comparto molto fiorente in diverse regioni, portando in Italia alla riduzione di circa un terzo della produzione. Al momento, la difesa si basa sull’impiego di fitofarmaci e sull’adozione di tecniche agronomiche che riducano la diffusione della batteriosi. Nell’ambito del progetto, in collaborazione con il CREA Genomica e Bioinformatica (GB), si mira a ottenere cultivar resistenti mediante approccio cisgenico e di genome editing. Sono stati utilizzati diversi tipi di costrutti con un gene probabilmente implicato nella suscettibilità alla batteriosi preparati dal CREA-GB . Due di questi sono in grado di modulare l’espressione del gene (aumentandola e diminuendola) al fine di chiarire la funzione dello stesso, altri quattro, invece, sono basati su un approccio di genome editing, disegnati per il silenziamento del gene. Sono stati ottenuti diversi germogli, attualmente moltiplicati in vitro, su cui sono in corso le analisi molecolari per verificare la trasformazione e le modifiche genetiche.

Per la fragola il carattere preso in considerazione è la rifiorenza che consente una produzione dei frutti in più periodi dell’anno. Geni che modulano la fioritura verranno inseriti nella fragola mediante approccio cisgenico. Questa attività verrà svolta da un partner esterno che è stato recentemente selezionato: l’Università Politecnica delle Marche.


Hanno collaborato: Simona Monticelli, Sabrina Micali, Elisa Vendramin, Emilia Caboni, Vania Michelotti (CREA Centro Genomica e Bioinformatica)

Ignazio Verde primo ricercatore CREA Centro Olivicoltura, Frutticoltura e Agrumicoltura

Si occupa di genetica molecolare delle piante arboree da frutto. Ha coordinato il consorzio internazionale International Peach Genome Iniziative che ha ottenuto e pubblicato la sequenza del genoma del pesco.

#lafrase
Non c’è futuro senza ricerca ma non c’è ricerca senza un’idea di futuro.

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