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mercoledì, 27 Ottobre 2021

Orticole come non le avete mai viste

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Una alimentazione sana e di qualità non può fare a meno dei prodotti orticoli. Ricchi di fibre, sostanze antiossidanti, vitamine e altri micronutrienti, sono, infatti, alla base della dieta mediterranea e rappresentano, in molti casi, una bandiera del Made in Italy. Le colture orticole si basano su un’altissima variabilità in termini di specie, prodotti ed usi, oltre ad essere caratterizzate da un’elevata intensività: sul solo 3% della superficie destinata all’agricoltura, a livello europeo, infatti, viene generato circa un quarto del valore della produzione agricola comunitaria. L’innovazione dei prodotti e il ricambio dell’assortimento varietale risultano essere indispensabili, quindi, per affrontare sfide quali i cambiamenti climatici, l’aumento della sostenibilità delle produzioni, la richiesta dei consumatori di elevati e diversificati standard nutrizionali e qualitativi.

Nel progetto Biotech, tre sottoprogetti si occupano, sotto vari aspetti, di quattro colture ortive molto importanti per l’agricoltura italiana: Cisget per il pomodoro, GEO per il basilico e Qualimec per la melanzana e il carciofo.

Il pomodoro, che in Italia ha una grande importanza come prodotto da mensa e per le trasformazioni industriali ed è alla base di molti piatti della tradizione gastronomica del Paese, verrà migliorato sia per gli aspetti legati alle qualità nutrizionali (aumento della presenza di vari composti ad azione antiossidante), sia per caratteri rilevanti nella catena della commercializzazione (allungamento della shelf-life del prodotto fresco). Verrà inoltre migliorata la resistenza a stress abiotici (salinità, carenza idrica) e a Phelipanche ramosa, una pianta parassita che sempre di più si sta diffondendo negli ambienti di coltivazione.

Per la melanzana si concentreranno gli sforzi per ottenere, da un lato, piante in grado di produrre frutti senza semi, carattere di grande rilevanza commerciale per la riduzione degli sprechi e per la facilità di utilizzazione domestica e industriale, e dall’altro, linee genetiche caratterizzate da resistenza duratura al fungo patogeno Fusarium oxysporum.

Per il carciofo, altra specie “minore”, ma fortemente legata a produzioni tipiche italiane, si focalizzerà l’attenzione sulla riduzione del fenomeno dell’imbrunimento al taglio, fattore che riduce la qualità dei prodotti, soprattutto nelle utilizzazioni industriali.

Per il basilico l’obiettivo principale è il miglioramento genetico dalla resistenza a Peronospora, il parassita fungino che provoca i maggiori danni biotici alla coltura.

Sottoprogetto Cisget (Cisgenesis and Genome Editing in Tomato)

Il pomodoro, oltre ad essere una ortiva di enorme importanza per il nostro Paese, è una specie particolarmente studiata dalla comunità scientifica. Negli anni si è, infatti, accumulata una grande mole di conoscenze e sono state ottimizzate diverse tecniche fondamentali, che hanno permesso un costante miglioramento varietale. Il progetto coniuga queste peculiarità con gli enormi vantaggi in termini di versatilità e risparmio di tempo, dati dall’utilizzo delle tecnologie di evoluzione assistita – TEA, in particolare la cisgenesi e il genome editing –  per il miglioramento genetico del pomodoro. Esso persegue vari obiettivi, in collaborazione con diversi partner:

Figura 1 “Fenotipo della parte aerea e suscettibilità all’infezione radicale di P.ramosa nel mutante ccd8 (a) rispetto al pomodoro non mutato (b) in cui sono evidenziati con le frecce rosse i tubercoli radicali (siti di infezione)” (Foto di Alessandro Nicolia)
  1. Resistenza a piante parassite (Alessandro Nicolia – CREA Orticoltura e Florovivaismo) – utilizzare il genome editing per produrre genotipi che presentino resistenza alla pianta parassita Phelipanche ramosa in rapida diffusione nell’areale mediterraneo. L’utilizzo di questi genotipi permetterà agli agricoltori di poter coltivare nuovamente terreni infestati e ridurre l’utilizzo di erbicidi per il controllo con evidenti vantaggi di tipo ambientale.
  2. Migliorare la tolleranza del pomodoro a salinità e stress idrico – la produzione di genotipi di pomodoro tolleranti a più alti livelli di sale nel suolo (Giorgia Batelli – CNR-IBBR) attraverso una migliore capacità di eliminare lo ione sodio dai tessuti, risponde alla sempre più frequente problematica dovuta all’utilizzo di acque d’irrigazione con concentrazioni non ottimali di sali, tanto più rilevante in una coltura irrigua come il pomodoro. La produzione di genotipi più tolleranti a stress idrico, intervenendo con il genome editing sulla regolazione della traspirazione, (Chiara Tonelli – Università di Milano La Statale) permetterà di ridurre sia i consumi idrici sia le eventuali perdite produttive dovute a condizioni irrigue sub-ottimali.
  3. Potenziare gli aspetti qualitativi e di conservabilità – l’impiego della cisgenesi e del genome editing permetterà di ottenere varietà italiane di pomodoro con un elevato contenuto di solidi solubili (grado Brix) nel frutto e con una maggiore conservabilità del prodotto (Sara Sestili – CREA Orticoltura e Florovivaismo). Parallelamente, ottenere frutti con un maggiore contenuto di molecole d’interesse salutistico, come flavonoidi (Giorgio Morelli – CREA Genomica e Bioinformatica) e vitamina C (Manuela Rigano – Università di Napoli Federico II) risponderà alla sempre crescente necessità di proporre ai consumatori cibi funzionali.
  4. Modulare il processo fotosintetico – produrre mediante genome editing genotipi che utilizzano meglio la luce (Roberto Bassi – Università di Verona) permetterà di ottenere frutti gustosi in serra o fuori stagione, con evidenti vantaggi per gli imprenditori agricoli ed i consumatori.

Sinora sono state ottenute le prime piante editate, che si stanno caratterizzando per i diversi caratteri d’interesse. Inoltre, è stato messo a punto anche in pomodoro un protocollo in cui il genome editing viene ottenuto con approcci DNA-free.

Sottoprogetto GEO (Genome editing per il miglioramento della resistenza di Ocimum basilicum a Peronospora belbahrii)

Figura 2 “Incremento del contenuto zuccherino in pomodoro mutato (b) rispetto al non mutato (a)” (grafico di Daniela Palma)

Il Progetto GEO si avvale della tecnica del genome editing per migliorare la resistenza di basilico al fungo patogeno Peronospora belbahrii. Il basilico è una specie orticola ampiamente coltivata in Italia, specialmente in Liguria; può essere consumato fresco e dalla sua trasformazione si ottiene il pesto, la salsa cruda più venduta al mondo. Da parecchi anni, le coltivazioni di basilico sono duramente compromesse dalla Peronospora, che provoca danni così evidenti da indurre la morte dell’intera pianta.

Per evitare l’utilizzo di fitofarmaci, salvaguardando di conseguenza l’ambiente e tutelando la salute umana, si può intervenire a livello molecolare, individuando e modulando alcuni geni di suscettibilità, che si attivano precocemente, non appena la pianta viene a contatto con il fungo. Questi geni verranno editati, ossia resi inattivi, grazie al genome editing, andandone a tagliare la sequenza in maniera precisa. Il procedimento porterà all’individuazione di cloni di piante di basilico resistenti al patogeno. Tra i geni di suscettibilità in basilico, sono stati individuati e editati ObDMR6 e ObDMR1 (Ocimum basicilum Downy Mildew Resistance). I processi di trasformazione e di editing vengono eseguiti in laboratorio in vitro, su tessuti fogliari che sono stati indotti a generare nuove piante di basilico. 

Figura 3 “Coltura in vitro di cloni editati di basilico” (Foto di Marina Laura e Chiara Forti)

Le piante della varietà Genovese, resistenti a Peronospora, permetteranno coltivazioni ad impatto ambientale tendente a zero e l’innovazione perseguita punta l’attenzione verso approcci biotecnologici, considerati sicuri ed efficienti, in un’ottica di una agricoltura sostenibile.  Nell’ambito del Progetto sono state instaurate collaborazioni con il Cersaa – Centro di Sperimentazione ed Assistenza Agricola di Albenga (Andrea Minuto) che ha definito le tempistiche e i meccanismi d’azione ospite e patogeno e con il Dipartimento di Biotecnologie dell’Università di Verona (Massimo Delledonne), che si occuperà dell’analisi del trascrittoma di basilico.

Sottoprogetto Qualimec (Miglioramento delle proprietà QUALItative in MElanzana e Carciofo mediante approcci di genome editing e cisgenesi)

Melanzana e carciofo sono tipici ortaggi mediterranei, presenti in numerose varianti nella tradizione culinaria italiana. Se ne conoscono numerose accessioni e varietà localmente coltivate, ma che spesso presentano delle problematiche di tipo agronomico-gestionale e/o qualitativo. QUALIMEC intende proprio migliorare alcuni loro aspetti produttivi, che incidono fortemente sulla commerciabilità e qualità delle loro produzioni, per limitare l’impatto economico ed ambientale della loro coltivazione.

Nel dettaglio, per quanto riguarda il carciofo si intende evitare o ridurre considerevolmente il fenomeno dell’imbrunimento dei tessuti, durante la conservazione del capolino intero e a seguito del suo taglio, che deprezza il prodotto sia fresco sia dopo la trasformazione. A tale scopo, mediante attività esterna recentemente avviata dal Dipartimento DISAFA dell’Università di Torino, verranno identificati ed inattivati mediante TEA i geni delle polifenolossidasi, responsabili del marcato imbrunimento del capolino di carciofo.

Figura 4 “Piante di melanzana resistenti, tolleranti e suscettibili al fungo patogeno Fusarium oxysporum”

Per la melanzana, invece, l’obiettivo è ottenere linee con frutti senza semi o resistenti al fungo terricolo Fusarium. In tutte le piante, la fecondazione determina la produzione di alcuni ormoni che fanno sviluppare i frutti con i semi che, a loro volta, contengono l’embrione da cui deriverà la nuova generazione. Nel progetto si otterranno piante di melanzana in cui i frutti si svilupperanno senza che avvenga la fecondazione e quindi essi saranno senza semi. Per ottenere ciò, in collaborazione con il Dipartimento di Biotecnologie dell’Università di Verona, si trasferiranno geni dalla stessa specie (cisgeni) per provocare lo stimolo ormonale senza la fecondazione. Questo consentirà di ottenere frutti senza semi anche in condizioni sfavorevoli di luce e temperatura, riducendo il ricorso al condizionamento della serra e/o a sostanze ormonali somministrate dall’esterno.

La suscettibilità delle varietà di melanzana alle malattie del terreno, come quella causata da Fusarium oxysporum, provoca ingenti perdite di produzione e impone il ricorso a pratiche dispendiose come l’utilizzo di portainnesti selvatici resistenti e/o trattamenti chimici. Insieme al CREA Difesa e Certificazione, ci si propone di eseguire una caratterizzazione fine delle interazioni tra il fungo patogenoe la melanzana per scoprire le basi molecolari utili al controllo della malattia. Dopo aver isolato e studiato il patogeno, sono stati isolati i geni fungini che determinano l’infezione della pianta. Si stanno isolando, infine, i geni di melanzana che conferiscono resistenza totale e tolleranza, con l’obiettivo di cumularli tutti in un’unica pianta, in modo da ottenere una resistenza durevole e stabile che permette di evitare i trattamenti al terreno per controllare la malattia.

Teodoro Cardi. Direttore CREA Centro di ricerca Orticoltura e Florovivaismo.

Membro del Comitato di coordinamento del Progetto Biotech. Autore di ca. 150 pubblicazioni (H-index 26) nel campo delle biotecnologie applicate alle specie orticole.

Alessandro Nicolia. Ricercatore CREA Orticoltura e Florovivaismo. Responsabile scientifico sottoprogetto Cisget.

L’attività di ricerca è da sempre stata focalizzata sull’utilizzo delle tecniche di ingegneria genetica nelle specie agrarie, ed in particolar modo, dal 2012 in poi, sul genome editing in pomodoro e altre Solanaceae.

Marco Savona. Ricercatore CREA Orticoltura e Florovivaismo. Responsabile scientifico sottoprogetto GEO.

Di recente ha pubblicato una review sul genome editing nelle specie ornamentali: Giovannini A., Laura M., Nesi B., Savona M. and Cardi T. (2021) Genes and genome editing tools for breeding desirable phenotypes in ornamentals. Plant Cell Rep 40, 461–478. https://doi.org/10.1007/s00299-020-02632-x

#laFrase
La ricerca è curiosità, passione, ma soprattutto innovazione

Giuseppe Leonardo Rotino. Dirigente di Ricerca CREA Genomica e Bioinformatica. Responsabile scientifico sottoprogetto Qualimec.

Si interessa di breeding classico ed assistito da biotecnologie per sviluppare materiali genetici innovativi in melanzana. Ha all’attivo numerose pubblicazioni (H-index = 30).

#laFrase
Convintamente pro biotech, perché non possiamo risolvere i problemi odierni utilizzando solo le soluzioni dell’altro ieri.

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