Dialoghi in biotecnologie: “Il contributo delle TEA per il Miglioramento genetico del grano tenero”

Frusciante: Nel dialogo precedente abbiamo discusso l’importanza storica del miglioramento genetico del grano duro in Italia, partendo dal lavoro pionieristico di Strampelli fino alle moderne tecnologie di evoluzione assistita (TEA). Spostando ora l’attenzione sul grano tenero, una coltura fondamentale per l’alimentazione umana, con oltre 760 milioni di tonnellate prodotte annualmente nel mondo, è interessante riflettere sui principali fattori che ne hanno determinato il successo.
Tuttavia, negli ultimi anni il tasso di crescita della produttività del grano tenero sta rallentando in molte regioni. Tale fenomeno è attribuibile all’esaurimento della diversità genetica disponibile e agli effetti del cambiamento climatico. Quali strategie possano essere adottate per affrontare queste sfide e garantire una maggiore resilienza e sostenibilità nella sua coltivazione?

De Vita: Il successo del grano tenero è il risultato di una combinazione di innovazioni genetiche e miglioramenti nelle pratiche agronomiche, che hanno consentito di soddisfare la crescente domanda alimentare a livello mondiale. Negli ultimi decenni, il miglioramento genetico ha portato a un guadagno annuale nelle rese di circa l’1% a livello globale, con tassi di incremento ancora maggiori in alcune aree. Anche in Italia, l’introduzione di varietà migliorate ha contribuito all’aumento delle rese e alla stabilità produttiva: in un secolo, la produzione di frumento è più che raddoppiata, mentre la superficie coltivata si è ridotta a meno della metà.
Tuttavia, mantenere questo ritmo di progresso genetico rappresenta una sfida, soprattutto in quelle aree dove le condizioni ambientali stanno diventando più estreme. Si stima che ogni aumento di 1°C della temperatura globale possa causare una perdita del 4-6% in resa. In questo contesto, emergono conflitti tra le priorità di resistenza agli stress ambientali e l’incremento del potenziale produttivo, i cosiddetti “trade-off”. Per superare questa impasse, è fondamentale approfondire la conoscenza dei meccanismi genetici che regolano i vincoli fisiologici delle colture. Ciò implica, ad esempio, lo studio dei network genici coinvolti nella fotosintesi, nell’efficienza d’uso dell’acqua e delle risorse nutritive, nonché nei meccanismi di risposta agli stress (a)biotici. Una comprensione approfondita di questi meccanismi potrebbe consentire di identificare geni “chiave” in grado di migliorare contemporaneamente la resistenza e la produttività, rompendo il tradizionale “trade-off” che spesso costringe a scegliere tra una priorità e l’altra.

Frusciante: Quali strategie genetiche ritieni siano le più promettenti per superare i vincoli fisiologici e migliorare simultaneamente la resistenza agli stress e la produttività? Inoltre, considerando la necessità di risposte più rapide, quale potrebbe essere la strategia più efficace per sviluppare varietà di grano più produttive in un contesto di cambiamento climatico e risorse limitate?

De Vita: È indispensabile sfruttare tutte le tecnologie di analisi genetica più avanzate in maniera integrata. Le tecnologie multi-omiche, come genomica, trascrittomica, proteomica e metabolomica, permettono di mappare i network genetici e i percorsi metabolici che influenzano direttamente la produttività e la tolleranza agli stress. Questi strumenti consentono di identificare i geni chiave e le loro interazioni con altri caratteri genetici e con l’ambiente. Inoltre, l’integrazione delle informazioni provenienti dai pan-genomi, ossia la totalità delle varianti genetiche di una specie, rappresenta una risorsa fondamentale. Confrontando varietà coltivate e selvatiche, i pan-genomi ci aiutano a individuare loci genetici poco utilizzati o perduti durante i processi di selezione, che possono essere riutilizzati per migliorare la resilienza e la diversità genetica delle nuove varietà. Infine, le TEA ci permettono di intervenire direttamente su geni specifici, eliminando i fattori che limitano la resa o amplificando l’espressione di caratteri utili. Tuttavia, non si tratta solo di aggiungere nuove tecnologie, ma di mettere ogni dato genetico al servizio di una visione più dinamica a supporto delle esigenze della filiera produttiva.
In questo contesto, uno degli strumenti più promettenti è l’impiego degli ibridi. Sebbene ampiamente utilizzati in altre colture, nel grano tenero il loro potenziale è stato finora poco sfruttato, nonostante il vantaggio dimostrato dell'eterosi o "vigore ibrido". Rispetto alle varietà tradizionali, infatti, gli ibridi sono più produttivi (+10-20%), hanno uno sviluppo maggiore, tollerano meglio le malattie, e possiedono un apparato radicale più sviluppato, che favorisce l’utilizzo dell’acqua e dell’azoto nel suolo, aumentando la resistenza alla siccità e migliorando la qualità della granella.

Frusciante: Considerando i notevoli vantaggi offerti dagli ibridi, quali sono i principali ostacoli che ne limitano l’utilizzo nel grano tenero? Quali sono le ragioni che ne hanno rallentato la diffusione su larga scala?

De Vita: Il principale ostacolo all’utilizzo degli ibridi è di natura economica. Attualmente, i costi per lo sviluppo degli ibridi sono molto elevati, con prezzi anche più alti per l’acquisto delle sementi da parte degli agricoltori. Questo è dovuto alle difficoltà nel controllo dell’impollinazione tra varietà diverse. La causa risiede nel fatto che il grano tenero è una pianta autoimpollinante, i cui fiori producono polline che feconda direttamente i propri ovuli.
Fortunatamente, esistono tecnologie che ci permettono di superare questo ostacolo, aprendo la strada a una produzione sementiera più efficiente e a costi ridotti. La maschio-sterilità, che può essere di origine genetica (controllata da geni nucleari e/o citoplasmatici) o non genetica (indotta da agenti chimici o fattori ambientali), semplifica notevolmente il processo di ibridazione, rendendolo più pratico e conveniente. Inoltre, l’utilizzo delle TEA può rendere ancora più efficiente la produzione di piante maschio-sterili.
In questo scenario, l’applicazione dell’intelligenza artificiale (AI) e della selezione genomica può avere un impatto significativo. L’AI, infatti, consente di analizzare enormi quantità di dati genetici e ambientali, identificando le varietà più promettenti per massimizzare il vigore ibrido. La selezione genomica, invece, permette di prevedere con elevata precisione le performance degli ibridi, riducendo così tempi e costi della sperimentazione in campo.
In conclusione, l’utilizzo degli ibridi rappresenta una soluzione rapida ed efficace per affrontare le sfide attuali, garantendo una produzione più elevata, stabile e sostenibile.