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Notiziario di informazione a cura dell'Accademia dei Georgofili

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04 maggio 2016

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Orzo: la specie più antica per la cerealicoltura del futuro

di Antonio Michele Stanca

L’orzo (Hordeum vulgare L.) è la prima pianta addomesticata dall’uomo durante la Rivoluzione neolitica nella Mezzaluna Fertile, a partire dalla forma selvatica Hordeum spontaneum caratterizzato da spiga distica e dalla disarticolazione delle spighette ad ogni nodo del rachide (spiga fragile). L’addomesticamento si realizzò con il ritrovamento nelle popolazioni di H.spontaneum di piante a spiga non fragile, caratteristica questa controllata da due geni complementari Btr1 e Btr2 recentemente clonati e descritti per struttura e funzione.
H.vulgare e H.spontaneum sono completamente fertili e la forma selvatica viene spesso usata come fonte di geni di resistenza a stress biotici e abiotici. La forma addomesticata cominciò ad essere diffusa seguendo le grandi migrazioni dell’uomo verso il Bacino del Mediterraneo, la Valle del Danubio sino all’Europa settentrionale, l’Asia occidentale, l’Himalaia e l’Asia Occidentale; raggiunse le Americhe con il secondo viaggio di Colombo. La tecnologia di coltivazione  dell’orzo messa a punto durante il neolitico e successivamente quella della trasformazione, compresa quella birraria, vennero esportate dall’uomo in tempi molto lenti, calcolati in 1,1 km/anno. Ne consegue che l’Italia ha avuto un neolitico di importazione attraverso il Mare Mediterraneo e i Laghi svizzeri. L’affinamento dell’agrotecnica durante l’Impero Romano concorre a diffondere la specie in tutti i territori dell’impero. Le spighe di orzo vengono usate per incoronare gli eroi di guerra e monete con la spiga vengono coniate. Particolare attenzione è rivolta agli orzi distici, cibo ideale per i gladiatori, per questo chiamati Hordearii. La produzione per unità di superficie raggiunge valori elevati, che si mantengono inalterati per circa due millenni, superati solo con l’applicazione delle leggi di Mendel. 
Diversi caratteri morfologici si sono evoluti nel tempo; oggi si dispone di una variabilità genetica straordinaria: orzi distici (due file di cariossidi lungo la spiga) e polistici (sei file di cariossidi), orzi ad habitus invernale, primaverile e alternativo, mutici, aristati e hooded, a cariossidi nude e vestite, orzi per l’alimentazione del bestiame (granella e foraggio a pianta intera), per l’alimentazione umana per la preparazione di alimenti funzionali, e da malto per la birra ed altre bevande alcoliche, e per prodotti da forno.
L’orzo appartiene alle Triticeae ed ha sette paia distinte di cromosomi: cinque senza satellite -1H, 2H, 3H, 4H, 7H-, e due con satellite –5H e 6H. E’ una pianta cleistogama, con una quota di alloincrocio, in condizioni favorevoli di apertura del fiore, pari a 1,7-1,8%
Il sequenziamento del genoma è stato completato e reso disponibile nel 2012 ed è costituito di 5.500 milioni di basi. 
Gli studi di genetica hanno trovato il loro fondamento nella disponibilità di varietà e mutanti morfologici e fisiologici, conservati nelle diverse collezioni come serbatoio di geni utili: infatti circa 480.000 accessioni sono oggi mantenute e usate come “core collections” o “working collections” presso diversi centri di ricerca, compreso quello delle isole Svalbard.
La natura diploide (2n=2x=14), la diversità fenotipica, la facilità di incrocio, l’adattamento alle diverse condizioni pedoclimatiche, hanno fatto dell’orzo la pianta modello per studi di genetica, genomica e miglioramento genetico, a partire dalla riscoperta delle leggi di Mendel. Infatti nell’ambito delle piante autogame l’orzo rappresenta la specie con cui sono stati aggiornati validati ed applicati routinariamente tutti i metodi a partire dal pedigree e sue modificazioni (SSD, Bulk ecc.), sviluppo di “Composite” con e senza maschiosterili, selezione ricorrente, produzione di doppi aploidi mediante coltura di antere e Hordeum bulbosum. Benché pianta autogama, anche nell’orzo si sta sfruttando il fenomeno dell’eterosi per la produzione di ibridi F1 oggi disponibili in commercio. 
L’attività di breeding nel nostro paese è stata svolta  in modo intenso relativamente più tardi rispetto agli altri Paesi europei. Fino al 1970 venivano coltivate maggiormente popolazioni locali e pochissime varietà di importazione. La produzione unitaria era modestissima, non superava 1,7 t/ha. La coltura era relegata su una superficie di 180.000 ha, nell’Italia centro-meridionale e negli appezzamenti meno fertili dell’azienda, dove solo l’orzo riusciva a dare risultati di un certo interesse. Benché all’inizio del secolo scorso Strampelli e Todero avessero rilasciato alcune varietà di orzo distico e polistico, queste ebbero limitato successo perché gli agricoltori del tempo preferivano impiegare popolazioni locali, anche se meno produttive. L’introduzione di varietà, principalmente di origine straniera ma ben adattate, nelle pianure fertili del nostro Paese mise in evidenza l’elevata produttività della coltura, competitiva rispetto a frumento tenero e duro, tanto che l’orzo per la prima volta si impose in pianura Padana, dove da poche migliaia di ha, nel 1991 raggiunse 206.000 ha. 
La prima varietà che ha dato un contributo notevole alla coltura dell’orzo in tutti gli ambienti pedoclimatici italiani è stata ARDA, con la quale si dimostra come la selezione per ambienti contrastanti è possibile. Arda si adatta nelle aree fertili del Nord, nelle pianure, colline e montagne del Centro, e nelle aree meno fertili dell’Italia meridionale ed insulare, e diventa popolare in Grecia. Con Arda si migliora la resistenza al freddo negli ambienti del Nord e alla siccità nel Sud. Nel 1991 la produzione media nazionale raggiunge 3,9 t/ha su una superficie totale di 455.000 ha. In quel periodo l’impiego di semente certificata interessa il 90% della superficie coltivata ad orzo, mentre oggi questo impiego è molto ridotto, gli agricoltori tendono a re-impiegare semente prodotta in azienda, e la superficie ordeicola è scesa a 300.000 ha.
L’attività di miglioramento genetico, almeno sino ad oggi, è continuata in modo intenso: il Registro Italiano nel 2016 dispone di 111 varietà (italiane e straniere). Alcune di queste possono raggiungere produzioni potenziali in pianura Padana di 10-12 t/ha pari a 20 mila semi per m2. Abbiamo raggiunto il plateau? La risposta è sicuramente negativa, ed oggi vengono tracciate nuove strategie a breve termine, e a medio-lungo termine, per ottenere 30 mila semi per m2, e questa sarà la sfida per i prossimi 50 anni. A breve termine la strategia di “cross the best to get the best” è ancora vincente, non solo ma attraverso nuovi modelli statistici di valutazione di “multilocation yield trials” è possibile sviluppare nuove varietà capaci di fare il miglior uso dell’ambiente di coltivazione anche negli ambienti severamente stressati e ridurre il gap tra produzione potenziale e reale.
L’avvento della genomica ha permesso di intensificare ed aprire nuovi orizzonti di “long term” basati su interventi di prebreeding-breeding. Si tratta di individuare geni utili dal punto di vista agronomico e della qualità della granella, dispersi nelle collezioni (association breeding), e incorporarli in un élite germoplasm. Questo è reso possibile dalla disponibilità di piattaforme di “phenotyping” capaci di migliorare e uniformare la precisione degli esperimenti. L’avvento della genomica ha messo a disposizione nuovi strumenti di molecular breeding mediante l’uso di marcatori molecolari (MAS) associati a caratteri agronomici importanti quali WUE, NUE, PUE, resistenza al sale e metalli pesanti, alle malattie, o associati a caratteri qualitativi per alimenti funzionali e malto. Schemi di breeding MAGIC o basati sulla selezione di ampie porzioni del genoma (GAS) sono largamente impiegati. Infine la trasformazione genetica (transgenesi e cisgenesi), incluso il genome editing, sono in atto presso diverse istituzioni pubbliche, ma limitate agli ambienti controllati. Il raggiungimento dei 30 mila semi/m2 è possibile se si riesce a ridurre l’elevato numero di fiori potenziali eliminati per cause esterne, a partire dalla formazione della spighetta fino alla maturazione della cariosside. Anche la proposta di convertire l’orzo a specie perennante andrebbe rivista con molta attenzione: nell’ambito del genere Hordeum la specie da considerare può essere H. bulbosum.
 
Si ipotizza infine che la genomica della pianta e il metagenoma possano contribuire al raggiungimento degli obiettivi anzidetti, poiché recentemente è stato possibile rivedere il modello di crescita della pianta di orzo, non più basato sulla interazione di tre elementi – atmosfera-pianta-suolo (chimico-fisico)- ma di quattro –atmosfera-pianta-suolo (chimico-fisico)-metagenoma.

 


Barley: the oldest species for future cereal growing
Barley (Hordeum vulgare L.) is the first plant cultivated by man during the Neolithic revolution in the Fertile Crescent, starting with the wild Hordeum spontaneum characterized by a distichous ear and the disarticulation of the spikelets at every node of the rachis (fragile spike).
Genome sequencing was completed and made available in 2012. It consists of 5,500 million bases.
The work in genetic improvement, at least until today, has remained vigorous. In 2016, the Italian Register made 111 (Italian and foreign) varieties available. Some of these have the potential in the Po valley to achieve a production of 10-12 tons/hectare equal to 20,000 seeds per m2. Have we reached a plateau? Certainly not. Today new short- and medium-long term strategies are being outlined that will result in 30,000 seeds per m2. This then will be the challenge for the next 50 years. In the short term, “crossing the best to get the best” is still a winning strategy that, together with new statistical evaluation models of “multilocation yield trials”, will in fact make it possible to develop new varieties capable of making the best use of the growing environment even in severely stressed areas and of reducing the gap between potential and actual production.



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