Genomica e miglioramento genetico al servizio delle scienze agrarie: come migliorare la produttività delle colture e l’approvvigionamento alimentare e nutrizionale

I semi delle piante agrarie hanno bisogno del nostro aiuto: è il grido degli scienziati. Ricche di carboidrati, proteine, minerali e vitamine, le sementi del frumento, del riso e del mais forniscono nutrimento alle piante in germinazione, cibo agli esseri umani, mangime al bestiame e materie prime all'industria. Ma, a causa dei sempre più marcati cambiamenti climatici a livello globale e chiamati a nutrire una popolazione sempre più in crescita, oggi i semi “sono sotto stress”. Che fare, dunque?

TAKEAWAY

  • Rendere i semi più grandi, più nutrienti e più resistenti allo stress, è diventato l’imperativo della scienza che si occupa di genomica e miglioramento genetico delle sementi delle piante agrarie.
  • L’obiettivo – va ripetuto – è quello di creare organismi più resistenti agli agenti patogeni, più resistenti alle diverse condizioni ambientali e climatiche, meno dipendenti da fertilizzanti chimici, contribuendo, in questo modo, ad aumentare la produzione per fare fronte alle sfide globali della fame e della malnutrizione.
  • Complici i progressi della genomica e delle biotecnologie, oggi è possibile facilitare lo svelamento delle associazioni tra i tratti di un determinato seme e le sequenze geniche di altri organismi vegetali contenute nella banca genetica, per una gestione più efficiente delle risorse genetiche e per ridisegnare colture con specifiche caratteristiche del seme.

Genomica e miglioramento genetico rappresentano, oggi, due strumenti chiave al servizio delle scienze agrarie e, più in particolare, di quelle scienze che studiano le sementi per migliorare la produttività delle colture.

Tra gli obiettivi della genomica vi à l’allestimento di complete mappe genetiche del DNA degli organismi viventi (da inserire in appositi database dove i diversi genomi vengono comparati) per studiare le evoluzioni delle specie e le variabilità genetiche.

Mentre, il miglioramento genetico è quella branca delle biotecnologie dedita, attraverso tecniche di ingegneria genetica, alla modifica del patrimonio genetico di vegetali e animali, con l’obiettivo di “migliorare” – nell’ambito dell’agricoltura o dell’allevamento – determinate caratteristiche utili alla produzione e all’approvvigionamento alimentare.

Ma che cosa sta accedendo, ormai da alcuni anni, nella comunità scientifica? Qual è il grido di allarme degli scienziati? “I semi hanno bisogno del nostro aiuto” esortano i ricercatori. Preziose fonti di carboidrati, lipidi, proteine, fibre, minerali e vitamine, le sementi del frumento, del riso e del mais forniscono energia e nutrimento alle piante in germinazione, cibo agli esseri umani, mangime al bestiame e materie prime all’industria.

Ma, a causa dei sempre più marcati cambiamenti climatici a livello globale e chiamati a nutrire una popolazione sempre più in crescita, i semi “sono sotto stress”, sottolinea il professore Rodomiro Ortiz, ricercatore impegnato nello studio del miglioramento genetico delle piante presso l’Università svedese di Scienze Agrarie e autore di una ricerca recentemente pubblicata sulla rivista americana Crop Science e sostenuta dalla Science Foundation Ireland, dall’Irish Research Council, dal Natural Sciences and Engineering Council of Canada e dalla canadese Manitoba Wheat and Barley Growers Association.

Genomica e miglioramento genetico dei semi delle piante agrarie

Rendere i semi più grandi, più nutrienti e più resistenti allo stress, è diventato l’imperativo della scienza che si occupa di genomica e miglioramento genetico delle sementi delle piante agrarie. L’obiettivo – va ripetuto – è quello di creare organismi più resistenti agli agenti patogeni, più resistenti alle diverse condizioni ambientali e climatiche, meno dipendenti da fertilizzanti chimici, contribuendo, in questo modo, ad aumentare la produzione per fare fronte alle sfide globali della fame e della malnutrizione.

Complici i progressi della genomica e delle biotecnologie, oggi è possibile facilitare lo svelamento delle associazioni tra i tratti di un determinato seme e le sequenze geniche di altri organismi vegetali contenute nella banca genetica, compreso il modo in cui la ricerca può accelerare la scoperta di varianti dello stesso gene.

La conoscenza degli effetti funzionali relativi alle varianti genetiche è necessaria per una gestione più efficiente ed economica delle risorse genetiche e per ridisegnare colture con specifiche caratteristiche del seme.

Ad esempio, i curatori della banca genetica sono in grado di valutare la vitalità dei semi monitorando i cambiamenti nell’espressione genica dei geni biomarcatori nei campioni di semi secchi, per decidere, poi, la rigenerazione del germoplasma (ovvero del materiale ereditario trasmesso mediante le cellule germinali), monitorando i cambiamenti nella diversità e nelle frequenze di varianti dello stesso gene tra i campioni immagazzinati nelle banche dati genetiche.

La resistenza alla germinazione pre-raccolta – spiega il professor Ortiz – può essere migliorata attraverso la riproduzione assistita dalla genomica, mentre l’indicatore della longevità del seme può essere utilizzato per aumentare il vigore dei semi nelle colture. Nell’ambito del miglioramento genetico dei semi, la selezione delle piante è la base per garantire che l’agricoltura soddisfi i bisogni dell’umanità. Osserva Ortiz:

I semi generati da determinate colture di piante possiedono quelle caratteristiche desiderate, prescelte in laboratorio, che consentono di aumentare la produttività su scala globale, con conseguente aumento dell’approvvigionamento alimentare e nutrizionale, migliorando al tempo stesso la diversità genetica negli ecosistemi e garantendo una produzione alimentare sostenibile anche sotto il profilo ambientale

Come ribadisce il professore, genomica e miglioramento genetico non aggiungono alle piante DNA estraneo, come invece accade con le tecniche di transgenesi. Quello che si fa in laboratorio per “migliorare geneticamente” le colture, è incrociare DNA di piante della stessa specie che hanno, ciascuna, caratteristiche uniche e tali da creare una nuova pianta con diversi tratti benefici.

Si tratta di un processo antico, in realtà. E ben noto ad agricoltori e scienziati. La differenza è che oggi, nel 2021, entrambe le categorie hanno accesso a più informazioni e a più strumenti che consentono loro di sviluppare nuove varietà di colture molto più rapidamente.

genomica e miglioramento genetico
Servendosi di tecniche di ingegneria genetica, è stato creato un particolare tipo di seme di cotone, privo di aldeide – sostanza tossica per l’uomo, che ha sempre impedito la commestibilità di questa pianta – e ricco di proteine e di fibre (Credit: Beth Luedeker, Dipartimento di Scienze del suolo e delle colture, Texas A&M University).

Le tecnologie di imaging digitale in aiuto alla fenotipizzazione dei tratti delle sementi

Tuttavia – prosegue Ortiz – i geni sono solo un pezzo del puzzle che dà vita al processo di miglioramento genetico delle piante agrarie. Gli scienziati che si occupano di genomica e miglioramento genetico hanno anche bisogno di conoscere i dettagli relativi alla “nuova pianta”, come questa crescerà e che aspetto assumerà.

E qui entra in gioco la fenotipizzazione, processo che permette di determinare differenze nelle caratteristiche dell’organismo vivente, compresa la morfologia, il suo sviluppo, le sue proprietà biochimiche e fisiologiche.

Il fenotipo di una pianta è l’espressione dei suoi geni nel suo ambiente, compresi l’altezza e il colore, oltre al peso e alla forma dei suoi semi e la tendenza a resistere o, al contrario, a soccombere alle malattie.

Ma l’acquisizione di tutte queste informazioni richiede molto tempo. Alcuni di questi tratti, inoltre, sono impossibili da osservare all’esterno. È la tecnologia a venirci in soccorso con, in particolare, i progressi dell’imaging digitale, in grado di misurare automaticamente una grande varietà di parametri utilizzando immagini di semi ad alta risoluzione.

Con questi strumenti in mano, i coltivatori di piante agrarie, oggi, possono migliorare molteplici specie di sementi e sviluppare nuove varietà di colture molto velocemente. Le ricerche in corso in questo momento nel campo della genomica e miglioramento genetico – conclude il professore – mirano a rendere i semi più grandi (dunque in possesso di più calorie per nutrire le persone), le proteine in essi contenute più nutrienti e i loro grassi tanto stabili da poter durare più lungo sugli scaffali dei negozi di alimentari.

Infine, sementi più grandi saranno anche in grado di aiutare la prossima generazione di colture a crescere rapidamente nei campi, pronte a produrre grandi raccolti.

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Paola Cozzi
Giornalista dal solido background acquisito lavorando presso i più prestigiosi Editori italiani | Ventidue anni di esperienza nello sviluppo di prodotti editoriali b2b, cartacei e digitali | Vent'anni alla direzione di una testata b2b in tema di Sicurezza anticrimine di tipo fisico | Attualmente si dedica al Giornalismo Digitale ed esplora nuove tecniche e nuovi stili di comunicazione
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