Dialoghi in biotecnologie: “Il contributo delle TEA per il miglioramento genetico degli stress abiotici”

Frusciante: La sicurezza alimentare è una delle sfide più urgenti per nutrire una popolazione in crescita. Tuttavia, i cambiamenti climatici mettono a rischio le produzioni agricole. I ricercatori devono quindi incrementare le rese senza aumentare la pressione antropica sugli agroecosistemi. La soluzione più efficace è il miglioramento genetico delle piante attraverso programmi mirati.

Batelli: Nel corso del XX secolo, la Rivoluzione Verde, grazie al ruolo cruciale del miglioramento genetico, ha determinato un notevole incremento delle rese agricole, soprattutto per colture come riso e frumento. Questo progresso, particolarmente evidente nei Paesi in via di sviluppo, ha ampliato l'accesso agli alimenti per una crescente parte della popolazione mondiale. Tuttavia, la rapida crescita della popolazione mondiale, che si stima raggiungerà un picco di 10,3 miliardi entro il 2080 (fonte: Nazioni Unite), insieme all’aumento della frequenza e intensità di eventi atmosferici estremi – come siccità, alluvioni e temperature elevate – pone sfide senza precedenti per la sicurezza alimentare. Inoltre, la crescente competizione per le risorse naturali e la necessità di rendere l'agricoltura più sostenibile e meno impattante sull'ambiente rendono indispensabile un cambiamento di paradigma, volto a migliorare la produttività e la stabilità delle rese, anche in condizioni ambientali imprevedibili e con un uso ridotto di risorse idriche, nutrizionali e di pesticidi. In questo scenario, il miglioramento genetico riveste un ruolo fondamentale. Fornire agli agricoltori varietà ad alta produttività, maggiormente tolleranti agli stress ambientali e meno dipendenti da interventi esterni è essenziale per adottare strategie di gestione integrata. Tali strategie sono cruciali per sviluppare sistemi agricoli resilienti, efficienti e sostenibili, capaci di garantire elevate rese con un impatto ambientale ridotto.

Frusciante: Le basi molecolari e fisiologiche della risposta delle piante agli stress abiotici, come temperature estreme, siccità, salinità o carenze nutritive, sono estremamente complesse e ancora poco comprese. Questa lacuna conoscitiva limita l'efficacia del miglioramento genetico convenzionale, ostacolando lo sviluppo di varietà più tolleranti e resilienti.

Batelli: Per far fronte agli stress abiotici, le piante attivano una complessa rete di pathway molecolari. La comprensione di questi meccanismi ha compiuto significativi progressi dalla fine del secolo scorso, portando all'identificazione di fattori chiave che agiscono sia come regolatori, modulando l'attivazione delle risposte molecolari, sia come effettori, direttamente coinvolti nell'esecuzione delle risposte adattative agli stress. Tuttavia, sebbene la manipolazione di alcuni di questi fattori abbia prodotto risultati promettenti in sistemi sperimentali controllati, la loro applicazione in condizioni reali si è spesso rivelata complessa, con esiti inferiori alle aspettative. Esistono però importanti eccezioni che dimostrano la possibilità di migliorare la tolleranza agli stress ambientali nelle colture agrarie. Un esempio emblematico è rappresentato dal gene SubA1 del riso, che ha portato allo sviluppo di varietà tolleranti alla sommersione, oggi adottate da milioni di agricoltori. La risposta agli stress dipende da vari fattori, tra cui la specie, il tessuto vegetale coinvolto, lo stadio di sviluppo della pianta, l'intensità e la durata dello stress, nonché dalle condizioni ambientali, come temperatura, umidità relativa e intensità luminosa. Inoltre, la presenza di stress multipli o ripetuti durante il ciclo colturale è una condizione comune, che modifica la risposta della pianta. È importante considerare che il rallentamento della crescita e dello sviluppo è un meccanismo adattativo naturale, ma per ottenere varietà resilienti e produttive, è necessario scollegarlo da altri meccanismi di risposta. Le moderne tecnologie di sequenziamento permettono oggi una caratterizzazione molecolare estremamente dettagliata, integrata e con una risoluzione senza precedenti. Le informazioni raccolte, combinate con avanzate strategie di modellizzazione e predizione, consentono di progettare programmi di miglioramento genetico mirati, fondamentali per lo sviluppo di varietà più resilienti e con caratteristiche superiori di sostenibilità ambientale.

Frusciante: Sebbene siano necessarie ulteriori ricerche per identificare i bersagli molecolari di alcuni stress abiotici, è certo che le Tecnologie di Evoluzione Assistita (TEA) diventeranno presto un elemento chiave nel miglioramento genetico delle piante anche in questo ambito.

Batelli: Le TEA costituiscono uno strumento innovativo per il miglioramento genetico delle specie agrarie, con particolare riferimento alla gestione della tolleranza agli stress abiotici. Il continuo perfezionamento di questi strumenti permette di sviluppare strategie mirate per modificare in modo preciso il DNA, intervenendo anche su più caratteri contemporaneamente. Questa capacità di agire su molteplici livelli, dai processi regolatori fino a quelli cellulari e metabolici di base (come enzimi o trasportatori), apre orizzonti completamente nuovi per il miglioramento delle colture. Inoltre, l'integrazione delle TEA con i dati provenienti dalle analisi genomiche consente di ottenere varietà avanzate in tempi significativamente ridotti, progettando caratteristiche genetiche ottimizzate in base alle specifiche condizioni ambientali di coltivazione.
Di seguito sono riportati alcuni esempi dell'applicazione di queste strategie nel pomodoro, una coltura particolarmente vulnerabile agli stress abiotici, in particolare alle alte temperature. La modifica del gene CPK28, che regola l'enzima APX2 (ascorbato perossidasi 2), ha migliorato la termotolleranza della pianta, rendendola più resistente alle alte temperature. Inoltre, l'intervento sui geni delle glutaredossine di tipo CGFS ha aumentato la tolleranza del pomodoro a vari stress abiotici. Per quanto riguarda lo stress salino, sono stati osservati miglioramenti nei mutanti Cas9 dei geni HKT1;2 (trasportatore di potassio ad alta affinità 1;2), RAD51/54 (proteine coinvolte nella riparazione e ricombinazione del DNA) e PR-1 (proteina correlata alla patogenesi 1). In generale, l'applicazione della tecnologia CRISPR/Cas9 sta migliorando notevolmente, almeno in condizioni sperimentali, la capacità del pomodoro di adattarsi agli stress ambientali.