La futura rivoluzione agricola nei cereali
di Alessandro Bozzini
- 31 January 2018
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Per risolvere i problemi di sostenibilità e di inquinamento ambientale, a livello mondiale, ricercatori di vari Paesi hanno preso in considerazione le consociazioni vegetali terrestri che presentano naturalmente una auto-sostenibilità. Si può quindi cercare di imitare la natura, come infatti avviene nei boschi e nei prati naturali, che continuano a crescere ed a produrre senza alcun intervento umano (senza lavorazioni, concimazioni, uso sistematico di pesticidi ecc.).
Considerando tali consociazioni, si può notare che la maggior parte di queste sono costituite da piante perenni. L’abito perenne implica una durata della pianta sempre superiore a due anni, con conseguente maggiore sviluppo radicale e quindi migliore utilizzazione dell’acqua e delle concimazioni, inducendo un incremento della sostanza organica nel terreno, una maggiore protezione riguardo i fattori dell’erosione superficiale ed un minore disturbo della consociazione delle piante coltivate con la microflora utile del terreno, migliorando la sostenibilità delle coltivazioni e, al tempo stesso, diminuendo notevolmente i costi di produzione.
Inoltre non bisogna trascurare il fatto che le piante perenni hanno subito nel tempo una maggiore selezione per la resistenza alle malattie ed ai parassiti, dovendo sopravvivere per molti anni nelle situazioni ambientali locali. Ad esempio, le popolazioni dei generi Agropyrum e Thinopyrum (specie perenni affini ai frumenti) presentano una maggiore resistenza o immunità a diversi temibili parassiti dei grani coltivati: ruggini, oidio, BYDV (barley yellow dwarf virus ecc.): ciò implica una minore necessità dell’uso di pesticidi e quindi costi ed inquinamenti molto inferiori.
Soltanto in molte graminacee e leguminose allevate per le produzioni foraggiere sono presenti diverse specie perenni ed annuali affini, mentre nei cereali e nelle leguminose da granella sono meno frequenti specie perenni che si incrocino facilmente con le specie annuali domesticate ed attualmente maggiormente utilizzate.
Restano comunque due principali opzioni: o si tenta di domesticare alcune specie selvatiche perenni cercando di attuare in poco tempo quanto si è ottenuto in passato anche in millenni di selezione umana, oppure si tenta di introdurre nelle specie domesticate il carattere perenne presente in specie selvatiche più o meno affini, utilizzando incroci diretti od usando incroci con specie-ponte.
Resta il fatto che molte delle caratteristiche di specie domesticate sono ben diverse da quelle presenti nelle selvatiche, avendo l’uomo selezionato anche per migliaia di generazioni i caratteri per il suo interesse e non sempre per quello della pianta (un esempio tipico è la selezione di varietà di molte specie che producono frutti senza semi)!
Le piante domesticate debbono presentare tutta una serie di caratteri morfo-fisiologici e qualitativi dei prodotti, spesso di controllo genetico non semplice, richiedendo quindi tempi lunghi di selezione e molti test di laboratorio e di campo.
Per quanto riguarda la possibile domesticazione di piante perenni selvatiche occorre:
a) Identificare una specie selvatica potenzialmente utile che abbia già una elevata produzione di semi di buone dimensioni e qualità.
b) Selezionare linee con omogeneità di sviluppo e produzione sincrona.
c) Selezionare, tra le varie linee ottenute, quelle di più elevata produttività.
Certamente tale processo implica alcuni decenni di attività selettiva ed è quindi, in genere, di meno facile realizzazione.
Nel secondo caso occorre ottenere progenie ibride tra specie domesticate annuali e specie perenni selvatiche che abbiano almeno un certo livello di fertilità per poter selezionare nelle progenie successive gli individui con caratteri ricombinati più simili all’ideotipo previsto, assommando la perennità con le caratteristiche di domesticazione necessarie. Tale tecnologia richiede spesso anche l’utilizzazione di una ampia variabilità genetica presente sia nella specie perenne che in quella domesticata per una più facile realizzazione di ibridi fertili.
La disponibilità di marcatori molecolari (MAS) per almeno alcuni dei caratteri più importanti per la realizzazione dell’ideotipo previsto, può ridurre notevolmente il numero delle progenie allevate ed anche i tempi di selezione delle progenie che portino i caratteri utili desiderati.
Anche le tecnologie GISH (Genomic In Situ Hybridization) possono permettere di identificare la presenza di cromosomi della specie che porta i caratteri utili desiderati.
Inoltre la già realizzata identificazione della composizione del DNA di ormai diverse importanti specie coltivate (frumenti, riso, sorgo, mais ecc.) può facilitare l’identificazione di singoli geni coinvolti e quindi anche l’uso di tecniche OGM (che preferiremmo chiamare di ”innesto genico”), anche se raramente i caratteri utili sono controllati singolarmente da geni “maggiori” e non da un numero più o meno elevato di geni che collaborano alla realizzazione dei caratteri più importanti per i caratteri di domesticazione, la produttività e la qualità del prodotto desiderato e quindi richiedenti numerosi e specifici “innesti genici” non sempre di facile realizzazione. Tuttavia, mediante nuove tecnologie di “genome editing” e di “cisgenesi” potranno essere ottenute varietà perennanti in molte specie.
Finora, per tali realizzazioni, sono state usate le comuni tecnologie di ibridazione, seguite eventualmente da reincroci e da normale selezione visuale dei caratteri desiderati, normalmente controllati da molti geni.
L’ attuale situazione di studi per l’introduzione della perennità nei cereali è la seguente:
Frumenti
Una iniziativa intercontinentale ha permesso di testare in Australia per almeno 3 anni oltre 150 ibridi prodotti in passato in tutto il mondo tra varie specie di Triticum e di Thinopyrum, per la presenza di perennità e discreta produzione di granella.
Nove linee di frumenti teneri sono state scelte per una mini-prova comune da effettuare in vari Paesi interessati (4 in Australia, 7 in USA, 1 in Canada, 3 in Sudafrica, 1 in Nepal, 2 in Olanda, 1 in Inghilterra ed 1 in Italia). L’Italia (con la collaborazione del CREA) ed il Nepal per primi hanno già attuato nel 2012 tale prova con risultati incoraggianti, mentre il primo anno di prova è stato realizzato negli altri Paesi nel 2013. Sono già stati effettuati in Italia, da ricercatori del CREA, incroci di tali linee col frumento duro e frumento tenero per cercare di trasferire tale caratteristica anche nei nostri frumenti.
Segale
Sono già stati realizzati, in vari Paesi europei, in Canada ed USA, ibridi tra Secale cereale (annuale) e Secale montanum (probabile progenitore della specie coltivata), da cui sono state selezionate diverse linee di segale con vario grado di perennità. La perennità è più evidente se il materiale viene allevato in ambiente montano con un buon grado di umidità estiva. Già da anni si dispone di una cultivar di segale perenne ottenuta in Ungheria che però esplica il carattere se coltivata in montagna dove piove anche d’estate.
Triticale
Una volta ottenuti frumenti tetraploidi perenni potranno essere effettuati incroci con segali perenni per ottenere triticali esaploidi perenni.
Avena
Nel genere Avena, in cui solo la specie esaploide Avena sativa (genomi AACCDD) è oggi coltivata, esiste solo una specie perenne, Avena macrostachya tetraploide (genoma CCCC) presente solo in Algeria. Gli incroci tra le due specie necessitano la cultura degli embrioni. Solo con reincroci degli ibridi con A. sativa sono stati ottenuti ricombinanti, che però hanno problemi di resistenza al freddo.
Riso
In Cina e nell’ IRRI (International Rice Research Institute) sono stati già realizzati ibridi tra il riso coltivato e le specie perenni Oryza rufipogon ed Oryza longistaminata, che presentano buone ricombinazione dei caratteri desiderati. Si sta inoltre cercando di risolvere il problema di introdurre anche la resistenza al freddo invernale per la coltivazione di questi tipi perenni in aree temperato-fredde. Sono già stati identificati 4 segmenti cromosomici che controllano la perennità. In Cina sono stati ottenute nuove linee di risi perenni, già distribuite ad alcuni agricoltori, che però sono coltivabili solo nelle aree tropicali e subtropicali, in attesa di introduzione di resistenze genetiche per la resistenza al freddo.
Sorgo
Sono in corso di realizzazione negli USA ibridi tra il sorgo coltivato (diploide) con il Sorghum halepense (tetraploide) e col Sorghum propinquum, donatori della perennità e della resistenza al freddo, con prospettive interessanti. Inoltre potranno essere anche utilizzate alcune linee cinesi di sorgo molto più resistenti al freddo. Particolarmente interessanti potranno essere i sorghi zuccherini ibridi perenni che, in ambienti adatti, potranno anche fornire 3 raccolti l’anno. Dal 2013 sono state identificate in Italia 15 linee di sorgo perenne, identificate mediante coltura di vari tipi di sorghi da granella che hanno vegetato per 4 anni consecutivi a Roma.
Mais
Esiste una specie tetraploide di Teosinte (anche chiamata Zea mais ssp diploperennis) con abito perenne, possibile donatrice di tale caratteristica, da trasferire nel mais coltivato.
Tuttavia, finora non sono stati ottenuti ibridi che presentino le caratteristiche desiderate.
Anche per il mais sarà inoltre necessario introdurre geni per la resistenza al freddo per garantire la sopravvivenza invernale in aree temperate e fredde.
Considerando tali consociazioni, si può notare che la maggior parte di queste sono costituite da piante perenni. L’abito perenne implica una durata della pianta sempre superiore a due anni, con conseguente maggiore sviluppo radicale e quindi migliore utilizzazione dell’acqua e delle concimazioni, inducendo un incremento della sostanza organica nel terreno, una maggiore protezione riguardo i fattori dell’erosione superficiale ed un minore disturbo della consociazione delle piante coltivate con la microflora utile del terreno, migliorando la sostenibilità delle coltivazioni e, al tempo stesso, diminuendo notevolmente i costi di produzione.
Inoltre non bisogna trascurare il fatto che le piante perenni hanno subito nel tempo una maggiore selezione per la resistenza alle malattie ed ai parassiti, dovendo sopravvivere per molti anni nelle situazioni ambientali locali. Ad esempio, le popolazioni dei generi Agropyrum e Thinopyrum (specie perenni affini ai frumenti) presentano una maggiore resistenza o immunità a diversi temibili parassiti dei grani coltivati: ruggini, oidio, BYDV (barley yellow dwarf virus ecc.): ciò implica una minore necessità dell’uso di pesticidi e quindi costi ed inquinamenti molto inferiori.
Soltanto in molte graminacee e leguminose allevate per le produzioni foraggiere sono presenti diverse specie perenni ed annuali affini, mentre nei cereali e nelle leguminose da granella sono meno frequenti specie perenni che si incrocino facilmente con le specie annuali domesticate ed attualmente maggiormente utilizzate.
Restano comunque due principali opzioni: o si tenta di domesticare alcune specie selvatiche perenni cercando di attuare in poco tempo quanto si è ottenuto in passato anche in millenni di selezione umana, oppure si tenta di introdurre nelle specie domesticate il carattere perenne presente in specie selvatiche più o meno affini, utilizzando incroci diretti od usando incroci con specie-ponte.
Resta il fatto che molte delle caratteristiche di specie domesticate sono ben diverse da quelle presenti nelle selvatiche, avendo l’uomo selezionato anche per migliaia di generazioni i caratteri per il suo interesse e non sempre per quello della pianta (un esempio tipico è la selezione di varietà di molte specie che producono frutti senza semi)!
Le piante domesticate debbono presentare tutta una serie di caratteri morfo-fisiologici e qualitativi dei prodotti, spesso di controllo genetico non semplice, richiedendo quindi tempi lunghi di selezione e molti test di laboratorio e di campo.
Per quanto riguarda la possibile domesticazione di piante perenni selvatiche occorre:
a) Identificare una specie selvatica potenzialmente utile che abbia già una elevata produzione di semi di buone dimensioni e qualità.
b) Selezionare linee con omogeneità di sviluppo e produzione sincrona.
c) Selezionare, tra le varie linee ottenute, quelle di più elevata produttività.
Certamente tale processo implica alcuni decenni di attività selettiva ed è quindi, in genere, di meno facile realizzazione.
Nel secondo caso occorre ottenere progenie ibride tra specie domesticate annuali e specie perenni selvatiche che abbiano almeno un certo livello di fertilità per poter selezionare nelle progenie successive gli individui con caratteri ricombinati più simili all’ideotipo previsto, assommando la perennità con le caratteristiche di domesticazione necessarie. Tale tecnologia richiede spesso anche l’utilizzazione di una ampia variabilità genetica presente sia nella specie perenne che in quella domesticata per una più facile realizzazione di ibridi fertili.
La disponibilità di marcatori molecolari (MAS) per almeno alcuni dei caratteri più importanti per la realizzazione dell’ideotipo previsto, può ridurre notevolmente il numero delle progenie allevate ed anche i tempi di selezione delle progenie che portino i caratteri utili desiderati.
Anche le tecnologie GISH (Genomic In Situ Hybridization) possono permettere di identificare la presenza di cromosomi della specie che porta i caratteri utili desiderati.
Inoltre la già realizzata identificazione della composizione del DNA di ormai diverse importanti specie coltivate (frumenti, riso, sorgo, mais ecc.) può facilitare l’identificazione di singoli geni coinvolti e quindi anche l’uso di tecniche OGM (che preferiremmo chiamare di ”innesto genico”), anche se raramente i caratteri utili sono controllati singolarmente da geni “maggiori” e non da un numero più o meno elevato di geni che collaborano alla realizzazione dei caratteri più importanti per i caratteri di domesticazione, la produttività e la qualità del prodotto desiderato e quindi richiedenti numerosi e specifici “innesti genici” non sempre di facile realizzazione. Tuttavia, mediante nuove tecnologie di “genome editing” e di “cisgenesi” potranno essere ottenute varietà perennanti in molte specie.
Finora, per tali realizzazioni, sono state usate le comuni tecnologie di ibridazione, seguite eventualmente da reincroci e da normale selezione visuale dei caratteri desiderati, normalmente controllati da molti geni.
L’ attuale situazione di studi per l’introduzione della perennità nei cereali è la seguente:
Frumenti
Una iniziativa intercontinentale ha permesso di testare in Australia per almeno 3 anni oltre 150 ibridi prodotti in passato in tutto il mondo tra varie specie di Triticum e di Thinopyrum, per la presenza di perennità e discreta produzione di granella.
Nove linee di frumenti teneri sono state scelte per una mini-prova comune da effettuare in vari Paesi interessati (4 in Australia, 7 in USA, 1 in Canada, 3 in Sudafrica, 1 in Nepal, 2 in Olanda, 1 in Inghilterra ed 1 in Italia). L’Italia (con la collaborazione del CREA) ed il Nepal per primi hanno già attuato nel 2012 tale prova con risultati incoraggianti, mentre il primo anno di prova è stato realizzato negli altri Paesi nel 2013. Sono già stati effettuati in Italia, da ricercatori del CREA, incroci di tali linee col frumento duro e frumento tenero per cercare di trasferire tale caratteristica anche nei nostri frumenti.
Segale
Sono già stati realizzati, in vari Paesi europei, in Canada ed USA, ibridi tra Secale cereale (annuale) e Secale montanum (probabile progenitore della specie coltivata), da cui sono state selezionate diverse linee di segale con vario grado di perennità. La perennità è più evidente se il materiale viene allevato in ambiente montano con un buon grado di umidità estiva. Già da anni si dispone di una cultivar di segale perenne ottenuta in Ungheria che però esplica il carattere se coltivata in montagna dove piove anche d’estate.
Triticale
Una volta ottenuti frumenti tetraploidi perenni potranno essere effettuati incroci con segali perenni per ottenere triticali esaploidi perenni.
Avena
Nel genere Avena, in cui solo la specie esaploide Avena sativa (genomi AACCDD) è oggi coltivata, esiste solo una specie perenne, Avena macrostachya tetraploide (genoma CCCC) presente solo in Algeria. Gli incroci tra le due specie necessitano la cultura degli embrioni. Solo con reincroci degli ibridi con A. sativa sono stati ottenuti ricombinanti, che però hanno problemi di resistenza al freddo.
Riso
In Cina e nell’ IRRI (International Rice Research Institute) sono stati già realizzati ibridi tra il riso coltivato e le specie perenni Oryza rufipogon ed Oryza longistaminata, che presentano buone ricombinazione dei caratteri desiderati. Si sta inoltre cercando di risolvere il problema di introdurre anche la resistenza al freddo invernale per la coltivazione di questi tipi perenni in aree temperato-fredde. Sono già stati identificati 4 segmenti cromosomici che controllano la perennità. In Cina sono stati ottenute nuove linee di risi perenni, già distribuite ad alcuni agricoltori, che però sono coltivabili solo nelle aree tropicali e subtropicali, in attesa di introduzione di resistenze genetiche per la resistenza al freddo.
Sorgo
Sono in corso di realizzazione negli USA ibridi tra il sorgo coltivato (diploide) con il Sorghum halepense (tetraploide) e col Sorghum propinquum, donatori della perennità e della resistenza al freddo, con prospettive interessanti. Inoltre potranno essere anche utilizzate alcune linee cinesi di sorgo molto più resistenti al freddo. Particolarmente interessanti potranno essere i sorghi zuccherini ibridi perenni che, in ambienti adatti, potranno anche fornire 3 raccolti l’anno. Dal 2013 sono state identificate in Italia 15 linee di sorgo perenne, identificate mediante coltura di vari tipi di sorghi da granella che hanno vegetato per 4 anni consecutivi a Roma.
Mais
Esiste una specie tetraploide di Teosinte (anche chiamata Zea mais ssp diploperennis) con abito perenne, possibile donatrice di tale caratteristica, da trasferire nel mais coltivato.
Tuttavia, finora non sono stati ottenuti ibridi che presentino le caratteristiche desiderate.
Anche per il mais sarà inoltre necessario introdurre geni per la resistenza al freddo per garantire la sopravvivenza invernale in aree temperate e fredde.
