Sebbene il termine biotecnologie si riferisca letteralmente all impiego di organismi

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1 LE BIOTECNOLOGIE VEGETALI: PRESENTE E FUTURO Chiara Tonelli Sebbene il termine biotecnologie si riferisca letteralmente all impiego di organismi viventi ( bio ) per produrre o modificare prodotti, nell accezione moderna si definiscono biotecnologie le tecniche di genetica molecolare e di ingegneria genetica degli organismi attraverso l utilizzo del DNA ricombinante. In agricoltura tali tecnologie hanno finora trovato applicazione in due settori: il breeding molecolare e le piante transgeniche. Dagli albori dell agricoltura gli esseri umani hanno utilizzato il naturale processo di scambio genico attraverso l incrocio di individui, varietà o specie, per costituire piante agrarie sempre più produttive e di alta qualità. In questo percorso plurisecolare i metodi del breeding classico, basati su incrocio e selezione, si sono sviluppati fino a integrare, a partire dagli anni Settanta del secolo scorso, la genetica molecolare e l ingegneria genetica. Biotecnologie e metodi convenzionali di miglioramento, pur operando con metodi differenti, agiscono entrambi attraverso la modificazione genetica della pianta e perseguono lo stesso obiettivo, cioè la selezione di nuovi genotipi migliorati. Ne consegue che il termine organismi geneticamente modificati (OGM), con il quale vengono spesso indicate le piante transgeniche, sebbene entrato nell uso comune, sia 1

2 decisamente inappropriato dal punto di vista tecnico-scientifico, poiché tutte le varietà coltivate derivano da un processo di modificazione genetica. Quali sono allora le principali differenze tra breeding classico e biotecnologie? Innanzitutto, mentre il breeding classico si basa sulla ricombinazione casuale delle decine di migliaia di geni che caratterizzano un organismo vegetale, l approccio biotecnologico consente di selezionare o di inserire nel genoma della pianta un unica sequenza di DNA, in grado di conferire caratteristiche vantaggiose. Rispetto ai tradizionali programmi di incrocio e selezione, le biotecnologie permettono quindi un miglioramento mirato e preciso del genoma di una determinata specie, in quanto operando con singoli geni, lasciano inalterato il germoplasma originario, preservandone la diversità genetica e le caratteristiche vantaggiose. La tecnologia di transgenesi consente inoltre di ridurre significativamente i tempi di selezione degli individui migliorati e permette lo scambio di informazione genetica anche tra organismi sessualmente incompatibili, aumentando drasticamente le potenzialità offerte dalla cospicua biodiversità presente in natura ai fini del miglioramento delle piante coltivate. Le piante biotech di prima generazione L applicazione delle tecnologie del DNA ricombinante alle specie vegetali è relativamente recente. I primi programmi di BM sono stati sviluppati all inizio degli anni 80, mentre la prima pianta transgenica è stata prodotta in laboratorio nel 1983 (Herrera-Estrella et al., 1983). Il trasferimento di questa tecnologia alla coltivazione di pieno campo ha richiesto una decina di anni. Infatti, solo nel

3 è apparsa sul mercato statunitense la prima pianta transgenica, il pomodoro FlavrSavr TM, che sebbene presto ritirato dal commercio, ha di fatto aperto la strada alla coltivazione su larga scala delle piante biotech, iniziata intensivamente solo nel Da allora, la superficie mondiale coltivata a biotech è andata progressivamente aumentando, fino a raggiungere nel 2013 i 175 milioni di ettari, distribuiti in 29 paesi e coltivati da 18 milioni di agricoltori su una taglia media di meno di 10 ettari per azienda agricola: nel 2013 il 12% di tutte le coltivazioni mondiali derivava da piante ingegnerizzate (dati ISAAA 2013). A oggi le colture transgeniche più diffuse sono la soia (79% di tutta la soia coltivata), il mais (32%), il cotone (70%) e la colza (24%). A causa dell ampio dibattito pubblico sul ruolo delle piante geneticamente migliorate, attualmente sono presenti in commercio quasi solo tre tipologie di varietà transgeniche: piante resistenti agli erbicidi, piante resistenti agli insetti e quelle che assommano entrambi i caratteri. Il successo delle piante GM-HR e GM-IR, definite anche piante biotech di prima generazione, testimoniato dal crescente tasso di adozione in diverse parti del mondo, è principalmente dovuto alle capacità produttive di tali colture ed ai vantaggi economici che garantiscono all agricoltore. Si stima infatti che dal 1996 al 2009, l impiego di varietà biotech abbia generato un incremento netto di produzione pari ad oltre 83 milioni di tonnellate (mil ton) per la soia, a 130 mil ton per il mais, a 10 mil ton per il cotone, e a quasi 5 mil ton per la colza. A livello economico, la coltivazione di piante GM-HR e GM-IR ha originato, nello stesso arco temporale, un guadagno netto di circa 65 miliardi di dollari U.S.A., derivato principalmente dall incremento di resa e dalla riduzione dei costi di produzione (ridotta lavorazione del terreno, ridotto impiego di pesticidi ed erbicidi) (Brookes 3

4 and Barfoot, 2011). Significativamente, questi vantaggi economici non hanno interessato solo i grandi produttori dei paesi più industrializzati, ma anche molti piccoli agricoltori in aree del mondo considerate in via di sviluppo (Kathage and Qaim, 2012). L introduzione delle colture GM-HR e GM-IR ha avuto inoltre effetti benefici in termini ambientali e di sostenibilità. Nel periodo , l uso di piante resistenti all attacco di parassiti ha comportato il risparmio di 56mila tonnellate di insetticidi (Benbrook, 2012). Le colture biotech hanno offerto un importante contributo anche alla riduzione delle emissioni di gas serra, in particolare di anidride carbonica (CO 2 ). Il minor consumo di combustibili fossili per la trazione delle macchine agricole, associato al limitato numero di interventi colturali per l applicazione di erbicidi ed insetticidi, si è tradotto, nell anno 2009, in un risparmio in emissioni di CO 2 stimato in 1,36 miliardi di kg. Inoltre, l ampia diffusione della semina su sodo (assenza o drastica riduzione delle ripetute lavorazioni del terreno prima della semina), associata alle colture GM-HR, ha portato ad un ulteriore riduzione di 16,3 miliardi di kg di CO 2 rilasciati in atmosfera (Brookes and Barfoot, 2011). Alla luce del significativo contributo offerto dalla prima generazione di piante biotech al comparto agricolo, sussiste una grossa aspettativa per le potenzialità che la seconda generazione di piante transgeniche potrà apportare in termini di resa, di qualità e di sostenibilità delle produzioni agricole. Obiettivi primari dei programmi di ricerca di enti pubblici e aziende private sono, per l immediato futuro, la costituzione di nuove varietà biotech, caratterizzate da: un più sostenibile uso delle risorse (nutrienti ed acqua), un miglior adattamento ai cambiamenti climatici e un aumentato valore nutritivo. Un tipico adattamento 4

5 funzionale e morfologico alla carenza idrica è l accrescimento dell apparato radicale, che consente alla pianta di aumentare il volume di terreno esplorato, e quindi di incrementare la quantità d acqua assorbita. La dimensione del sistema radicale è pertanto un carattere di grande interesse per programmi di breeding volti alla costituzione di genotipi tolleranti la siccità (Steele et al., 2006). Un secondo importante carattere adattativo al deficit idrico è la riduzione della perdita d acqua dalle parti aeree della pianta attraverso il processo di traspirazione. Infatti, oltre il 90% dell acqua assorbita dalle radici viene persa per traspirazione attraverso piccole aperture, presenti sulla superficie delle foglie, denominati stomi (MacRobbie, 1998)(Morison et al. 2008). Un ulteriore esempio di adattamento delle piante agrarie ai cambiamenti climatici deriva dalla recente costituzione di varietà di riso resistenti alla sommersione. In Bangladesh e India, circa 4 milioni di tonnellate di riso, sufficienti per l alimentazione di 30 milioni di persone, sono perse a causa delle piogge e dello straripamento dei corsi d acqua nel periodo monsonico (McCullough et al. 2002). Sul cromosoma 9 del genoma di riso si trova il locus SUB1, in grado di conferire tolleranza alla sommersione (Neeraja et al. 2007; Xu et al. 2006). L analisi dettagliata del genoma di molte varietà di riso ha evidenziato che la regione cromosomica SUB1 non è presente nei genotipi più produttivi e più diffusi nella risicoltura Asiatica. E così iniziato, presso l International Research Rice Institute (IRRI, un vasto programma di BM per introdurre nelle cultivar locali il locus SUB1 e con esso la capacità di tollerare la sommersione. Uno dei risultati più significativi di questo programma è stato il trasferimento, in soli due anni, del locus SUB1 alla cultivar Swarna, una delle più produttive e diffuse in India (Neeraja et al. 2007). Prove di campo effettuate in regioni soggette a inondazioni 5

6 in India e Bangladesh hanno evidenziato che, benché non esistano differenze quantitative e qualitative nella produttività tra le due cultivar Swarna e Swarna- Sub1 in condizioni ottimali, quest ultima è in grado di garantire una produzione più che raddoppiata rispetto alla cultivar tradizionale qualora le piante di riso siano soggette ad un periodo di 10 giorni di sommersione totale durante la fase vegetativa (Septiningsih et al. 2009). Gli stress inducono un sostanziale riprogramma dell espressione genica che è stato ampiamente descritto e studiato. Tecnologie avanzate, NGS, DNAmicroarray o l RNA-seq, hanno consentito di definire un quadro complessivo delle risposte della pianta agli stress abiotici e di selezionare un vasto numero di geni candidati per applicazioni biotecnologiche (Mittler and Blumwald 2010). Una rapida risposta alla carenza idrica è rappresentata dalla chiusura delle piccole aperture presenti sulla superficie delle foglie denominati stomi, ad opera di due cellule altamente specializzate (cellule di guardia), per limitare la perdita d acqua per traspirazione (MacRobbie 1998). Il gene AtMYB60, codificante per un FT della famiglia MYB, è stato originariamente identificato in virtù della sua espressione nelle cellule di guardia degli stomi (Cominelli et al. 2005). La sua inattivazione determina una costitutiva riduzione dell apertura della rima stomatica, con una conseguente diminuzione del tasso di traspirazione (Galbiati et al. 2011). BIOTECNOLOGIE E QUALITA DEI PRODOTTI AGRICOLI Si stima che entro il 2050 la popolazione mondiale aumenterà dagli attuali 6,7 miliardi ad oltre 9.3 miliardi. Per far fronte alla crescente domanda di cibo si stima che la produzione agricola globale dovrà raddoppiare entro il 2030 (Bernstein et 6

7 al. 2010). Parallelamente agli incrementi quantitativi (food security) è necessario garantire anche un miglioramento qualitativo dei prodotti agricoli, tale da fornire alimenti più sani e di elevato valore nutritivo (food safety). Due sono in particolare le sfide che l incremento demografico pone a breeders e biotecnologi: i) lo sviluppo di alimenti arricchiti in vitamine e minerali (biofortificazione) per contrastare la malnutrizione e, ii) lo sviluppo di alimenti funzionali in grado di prevenire, attraverso la dieta, l insorgere di malattie croniche. Secondo l Organizzazione Mondiale della Sanità, ogni anno nel mondo 2 miliardi di persone nel mondo soffrono di carenza di ferro e ben bambini in età pre-scolare sono affetti da carenza di vitamina A. La vitamina A (o meglio il suo precursore b-carotene) si può trovare in zucche, carote, pomodori, patate dolci. In molti paesi di Africa e Sud-Est Asiatico, dove la dieta è basata prevalentemente su cereali, quali mais, riso o manioca, si ha un elevata incidenza di carenze vitaminiche, la più diffusa delle quali è quella della vitamina A (WHO 2009). La carenza di vitamina A causa inizialmente cecità notturna, fino ad arrivare alla cecità totale nel caso dei bambini. La mancanza di vitamina A determina anche una minore resistenza alle infezioni. Il numero di bambini affetti da cecità dovuta a carenza di vitamina A è compreso tra e ogni anno e si stima che bambini di età inferiore ai 5 anni muoiano annualmente per carenza di vitamina A (WHO 2009). 7

8 Per combattere le altre carenze vitaminiche si possono utilizzare diverse strategie. La distribuzione di integratori vitaminici e le campagne di fortificazione degli alimenti (cioè l aggiunta di vitamine nei prodotti alimentari) si sono rivelate di grande successo nei paesi industrializzati (Farre et al. 2010). Una valida alternativa è rappresentata dalla biofortificazione degli alimenti, ovverosia dalle strategie di miglioramento genetico per aumentare il contenuto di vitamine attraverso il breeding classico o le biotecnologie. Un esempio classico del contributo delle biotecnologie vegetali alla biofortificazione è il Golden Rice, una pianta di riso ingegnerizzata in modo da accumulare b-carotene nell endosperma del granello (Ye et al. 2000). Il Golden Rice 2 è in grado di produrre nel seme un quantitativo 23 volte superiore di b- carotene (37 mg/g) rispetto al Golden Rice originale, una quantità più che sufficiente per fornire il fabbisogno giornaliero di b-carotene (RDA: 500 mg per i bambini e 900 mg per gli adulti) con un consumo di circa g di riso, razione giornaliera media in quei Paesi in cui il riso rappresenta l alimento predominante della dieta (India, Bangladesh, Vietnam). Un recente studio clinico che ha coinvolto bambini cinesi di 6-8 anni ha dimostrato che il b-carotene nel Golden Rice 2 è in grado di fornire vitamina A in quantità pari agli integratori di b- carotene in capsula (Tang et al., 2012). Pertanto, l introduzione nella dieta del Golden Rice potrebbe apportare un notevole contributo alla risoluzione del problema della carenza di vitamina A, aiutando a prevenire le patologie ad essa associate. Il Golden Rice verrà messo gratuitamente a disposizione delle popolazioni asiatiche entro il 2015 (Fonte: Dopo il Golden Rice, sono state prodotte altre piante arricchite in b-carotene, tra cui mais e manioca, 8

9 sia utilizzando il breeding classico (Harjes et al. 2008; Welsch et al. 2010; Yan et al. 2010), che l ingegneria genetica (Naqvi et al. 2009). Un altro esempio importante è rappresentato dal mais multivitaminico, ingegnerizzato in modo da contenere maggiori livelli di ben tre vitamine: b- carotene (provitamina A), acido folico e vitamina C (Naqvi et al. 2009). Altre strategie di biofortificazione basate su tecniche di ingegneria genetica sono state adottate per aumentare la concentrazione di sali minerali, quali ferro e zinco, la cui carenza è diffusa nei paesi in via di sviluppo. Si stima infatti che attualmente vi siano almeno 2 miliardi di persone che soffrono di carenza di ferro, che è causa di gravi debilitazioni fisiche, quali difetti di crescita nei bambini, anemia, stanchezza cronica e minore resistenza alle infezioni (Humble et al., 1993). Per curare l anemia da carenza di ferro i medici consigliano solitamente di consumare carne rossa e di assumere solfato di ferro spesso in combinazione con acido folico. Nei paesi in via di sviluppo e non solo, questo tipo di terapia è molto costosa. E stata così prodotta una varietà biotech di riso il cui contenuto in ferro nel seme è stato aumentato dai 10 mg/g, presenti nella varietà tradizionale, ai 67 mg/g ottenuti nella pianta geneticamente modificata (Wirth et al., 2009) Le biotecnologie e la prevenzione delle malattie croniche Una delle sfide più importanti che ci troveremo ad affrontare nei prossimi 50 anni sarà ridurre l impatto delle malattie croniche, cioè malattie cardiovascolari, cancro, diabete, obesità e malattie neurodegenerative, come l Alzheimer. La prossima generazione sarà probabilmente la prima generazione ad avere un aspettativa di 9

10 vita minore dei propri genitori e la causa principale risiede nella scorretta alimentazione e nel fatto che obesità e sovrappeso stanno diventando un problema epidemico in tutti i paesi europei e del mondo occidentale in genere (WHO 2005). Quando si parla di alimentazione scorretta ci si riferisce alla tipica dieta caratterizzata dal largo consumo di alimenti ricchi di grassi animali (carne, salumi, formaggi e cibi fritti), di zuccheri (torte, gelati, pasticcini, caramelle e bibite gassate) e da un consumo molto limitato se non addirittura nullo di frutta e verdura, alimenti ricchi di fibra e di fitonutrienti importanti per la nostra salute. Ciò che rende così salutari frutta e verdura sono i fitonutrienti in essi contenuti, come ad esempio i carotenoidi ed i polifenoli (Liu, 2003). Tra i polifenoli, le antocianine sono responsabili della colorazione rossa, blu e viola di frutta e verdura quali mirtilli, ribes, fragole, more, arance rosse, uva nera, ciliegie, radicchio rosso e cavolo rosso. Le antocianine si sono rivelate protagoniste anche nella prevenzione dei tumori. Nella ricerca pubblicata sulla rivista Nature Biotechnology, i ricercatori del John Innes Centre di Norwich (UK) hanno ingegnerizzato un frutto normalmente privo di antocianine, come il pomodoro, in modo da renderlo ricco di queste sostanze, attraverso l introduzione di due geni (DELILA e ROSEA1) in grado di attivare la sintesi di antocianine, precedentemente isolati dalla bocca di leone (Antirrhinum majus) (Butelli et al., 2008). Il pomodoro viola così ottenuto è risultato possedere un attività antiossidante quasi triplicata rispetto al frutto rosso convenzionale. Le proprietà antitumorali delle antocianine contenute in questo pomodoro sono state investigate in uno studio comparato effettuato su topi da laboratorio particolarmente proni a sviluppare forme tumorali, in quanto deprivati della proteina tumorale 53 (topi p53-), comunemente conosciuta come «guardiana del 10

11 genoma» contro i tumori (Donehower et al. 1992). Topi p53- sono stati alimentati con una dieta di controllo, una dieta arricchita con estratto di pomodoro rosso (10%), o con una dieta arricchita con estratto di pomodoro viola (10%). I risultati dello studio hanno evidenziato che l assunzione di pomodori viola è in grado di ritardare l insorgenza di tumori nei topi p53- e di prolungarne la vita media da 142 giorni, osservati per i topi alimentati con la dieta controllo o addizionata di estratto di pomodoro rosso, a ben 182 giorni (Butelli et al., 2008) Gli Omega-3 Gli acidi grassi Omega-3 sono noti come composti in grado di proteggere da malattie cardiovascolari e neuropsichiatriche (Harris 2012). Sebbene il pesce sia la fonte tradizionale di Omega-3 (in particolare di EPA e DHA), le risorse ittiche attualmente disponibili non sono in grado di sostenere la crescente domanda mondiale di Omega-3 ed è quindi necessario trovare fonti alternative di questi preziosi composti. A tale scopo, è stata ottenuta una varietà di soia nella quale sono stati inseriti due geni che codificano per enzimi in grado di convertire l acido a-linolenico (ALA), di cui la soia è particolarmente ricca, in acido stearidonico (SDA) (Eckert et al. 2006). CONCLUSIONI Sostenibilità dei sistemi produttivi e qualità della produzione sono due necessità ineludibili per l agricoltura del futuro. Nel breve periodo, il comparto agricolo si troverà difronte all ardua sfida di raddoppiare la produzione di cibo, per soddisfare le esigenze di una popolazione mondiale in costante aumento, pur 11

12 nell impossibilità di estendere ulteriormente la superficie agricola coltivata e nella necessità di ridurre le risorse utilizzate (acqua, fertilizzanti, agro-farmaci). Un secondo urgente obiettivo è quello di incrementare la qualità delle produzioni agricole, sia in termini nutrizionali che sanitari, al fine di contrastare i devastanti effetti della malnutrizione che oggigiorno si manifestano in molte aree del mondo. Il miglioramento genetico classico e l uso intelligente ed appropriato delle moderne biotecnologie possono e devono contribuire in modo sostanziale allo sviluppo di nuove varietà coltivate caratterizzate da un uso più razionale e sostenibile di acqua e fertilizzanti e da un elevato valore nutritivo. Gli esempi descritti nel presente capitolo evidenziano le enormi potenzialità offerte dalle biotecnologie vegetali e sottolineano il fondamentale contributo delle moderne tecnologie del DNA ricombinante alla sostenibilità in agricoltura ed alla sicurezza alimentare. Le diffuse paure che sono state artatamente diffuse in vari strati della popolazione hanno allarmato oltre ogni ragionevole cautela l impiego di piante geneticamente migliorate, limitando finora la produzione di nuovi alimenti più nutrienti e sicuri. Le cautele e diffidenze di parte della popolazione mondiale vanno accolte e messe alla prova sperimentale in modo che sospetti e paure si possano confrontare con dati sperimentali capaci di consentire a tutti i tipi di agricolture di esplicarsi e di occupare le tantissime nicchie di mercato, consentendo allo stesso tempo la tutela della biodiversità, la promozione di piante migliorate disegnate soprattutto per le grandi commodities, le agricolture di sussistenza ed a bassa intensità produttiva al fianco di coltivazioni tradizionali più vicine ai gusti ed alle abitudini alimentari delle diverse popolazioni. 12

13 Brookes G., and Barfoot P. (2011) GM crops: global socio-economic and environmental impacts , edited by P. E. Ltd, UK. Dorchester, UK. Clive J. (2013) Global Status of Commercialized Biotech/GM Crops: 2013., in ISAAA Brief No. 43. ISAAA International Service for the acquisition of agribiotech applications, Ithaca, NY. Mittler R., and Blumwald E. (2010) Genetic Engineering for Modern Agriculture: Challenges and Perspectives. Annu Rev Plant Biol 61: White P. J., and Broadley M. R. (2005) Biofortifying crops with essential mineral elements. Trends Plant Sci 12: