Parco Tecnologico Padano, Lodi Fondazione Edmund Mach, Trento

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Davide Greco
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1 F. Salamini Parco Tecnologico Padano, Lodi Fondazione Edmund Mach, Trento National Research Council, Toward sustainable agricultural systems in the 21 Century. The National Academy Press, Washington, DC Definisce la sostenibilità dell agricoltura che deve considerare: livello produttivo, ambiente, economicità, ruolo sociale del sistema agricolo. Anticipa i caratteri dei nuovi sistemi agricoli: conservazione della risorsa idrica, riduzione dei runoff (fertilizzanti, agrochimici), considerazione di sistemi alternativi dell allevamento animale. Definisce la ricerca che esplora le proprietà degli agrosistemi e considera la dimensione multipla della sostenibilità. Due approcci non alternativi: incrementale e trasformativo. 1

2 INCREMENTALE Diversificazione delle aziende agricole Mercati di nicchia Diversificazione dei paesaggi agrari Costi dei nuovi sistemi Programmi sociali Analisi delle politiche agricole Piante tapezzanti Diversità di specie e varietà, rotazioni, intercropping Sistemi a ridotta aratura. Uso del miglioramento genetico convenzionale e di GE Efficienza dell uso dell acqua, riuso di acque, management integrato dell irrigazione Management dei fertilizzanti, agricoltura di precisione Concimi organici e letame, composte, sovescio Lotta integrata t agli insetti. Controllo biologico, miglioramento del suolo per indure resistenza agli insetti e alle malattie delle piante Analisi delle politiche agricole Miglioramento genetico degli animali, gestione dei reflui TRASFORMATIVO Approccio sistemico e multidisciplinare che capitalizza in sinergie, efficienze, capacità di ripresa degli ecosistemi disturbati. Evidenzia vantaggi e svantaggi di un sistema. Interazioni a tutti i livelli: biofisico, sociale, economico, politico. Sistemi organici a basso input. Pascolamento a rotazione. Sistemi locali. Perennialismo anche nei cereali. Nuove produzioni (es. biofuel da cellulosa). Riduzione di perdite di N,P e pesticidi. Gestione cooperativa delle acque superficiali e di falda. Gestione dei comprensori. Esplorazione della complessità degli agroecosistemi dove si studiano le rotazioni complesse, l integrazione tra produzione animale e vegetale, la flessibilità nel controllo di infestanti, insetti e malattie. 2

Uso del miglioramento genetico convenzionale e di GE Efficienza dell uso dell acqua, riuso di acque, management integrato dell irrigazione Management dei fertilizzanti, agricoltura di precisione

3 Esiste una straordinaria varietà di alternative al controllo chimico degli insetti. Alcune hanno già avuto successo. Altre sono in via di sviluppo o rappresentano idee di scienziati con molta fantasia e che cercano di svilupparle. Tutte hanno in comune l essere soluzioni biologiche basate sulla conoscenza degli organismi da controllare e delle loro interazioni biotiche. RACHEL CARSON. Silent Spring, STRUMENTI Sequenze annotate dei genomi di piante agrarie e piante modello. Sequenze dei genomi dei parassiti (scoperta di passaggi metabolici che possono essere target per nuovi insetticidi, fungicidi, erbicidi) Marcatori molecolari per geni specifici, per caratteri QTL, per accorciare la selezione, per incroci interspecifici. Mutazioni anche indotte da trasposoni: overespressione del gene, sottoepressione, relative a geni candidati (tilling). Variabilità genetica nelle piante coltivate (es. resequencing). Associazioni gene-carattere: fenotipizzazioni, association mapping. Proteomica Biologia computazionale. Biologia dei sistemi: modelli dinamici del funzionamento della pianta; inclusa la metabolomica e la determinazione dei flussi di piccole molecole. Manipolazione dei fattori di trascrizione con effetto multiplo Una nuova chimica 3

Tutte hanno in comune l essere soluzioni biologiche basate sulla conoscenza degli organismi da controllare e delle loro interazioni biotiche. RACHEL CARSON. Silent Spring, 1962.

4 La GENOMICA è una rivoluzione : ogni agrotecnica dovrà essere innovata e considerare gli apporti conoscitivi della nuova biologia. Altri contributi italiani: pesco, pomodoro, patata, frumento, olivo 4

5 MARCATORI MOLECOLARI SELEZIONE GENOMICA Una situazione i ideale sonda il genoma via SNP ogni 2-10 kb. Per un genoma di 3 M di basi, questo corrisponde a polimorfismi. GENETICA CHIMICA Identifica agonisti e antagonisti multipliper ogni proteina che partecipa ai processi metabolici della pianta. Identifica per ciascun composto chimico d interesse il suo target usando la mutagenesi (popolazioni EMS e T-DNA). Applica la chimica combinatoriale per produrre ligandi con la più alta affinità desiderabile (= costante K bassa). Decifra i principi che governano le relazioni tra struttura chimica, potenza del legame e selettività del composto. 5

Identifica per ciascun composto chimico d interesse il suo target usando la mutagenesi (popolazioni EMS e T-DNA).

6 ESEMPI DI CARATTERI TARGET PER LE PIANTE COLTIVATE Architettura: altezza, no. foglie, no. accesti, angolo e area fogliame, no. di fiori e semi, grandezza del seme, radici. Densità d impianto impianto. Epoca di fioritura e risposta fotoperiodica. Perennialismo Velocità di sviluppo e controllo ormonale: brassinolidi, anxine, gibberelline, citochinine, etilene. Velocità di sviluppo in relazione a qualità e quantità di luce. Efficienza fotosintetica: CO 2 fissata nella stagione, no. cloroplasti, metabolismo C 3 vs C 4, regolazione. Eterosi, maschio sterilità, inbreeding. Fertilità. Assorbimento di N e P: efficienza, traslocazione, accumulo, riduzione, distribuzione nelle piante. Efficienza nell uso dell acqua: tolleranza cronica e transiente alla siccità. Tolleranza a caldo, freddo e gelo. Germinazione ione del seme al freddo. Tolleranza all immersione. Tolleranza allo stress ossidativo. Tolleranza ai metalli pesanti. Biosintesi di metaboliti. Composizione degli organi vegetali in termini di qualità del prodotto. Digeribilità. Capacità delle piante di integrazione con endosimbionti. Resistenze ai patogeni virali, fungini e batterici. Resistenze alle infestanti e agli erbicidi. Resistenze agli insetti e ad altre pesti animali. Perennialismo Due forme Perché adottarlo SOC 1; FLC Glover et al., Increased food and ecosystem security via perennial grains. Science, 328: Meno runoff Aree marginali Sequestro CO2 Meno energia TARGET: frumento 12 6

Velocità di sviluppo in relazione a qualità e quantità di luce. Efficienza fotosintetica: CO 2 fissata nella stagione, no. cloroplasti, metabolismo C 3 vs C 4, regolazione.

7 La pianta ideale Perennial: NS PAR interception (%) Miscanthus x giganteus Zea mays 20 Spartina cynosuroides Julian day 1993 Fotosintesi C4 (NS) Elevata biomassa (NS) Tollerante a microbi e insetti (OK) Eterotica (OK) e apomittica (?) ago9 Tollerante agli stress abiotici (OK) Fissatrice di azoto (NS) Radici ben sviluppate (OK) Ridotta in antimetaboliti e biofortificata (OK) Nuove specie (NS) 13 GENI PER RESISTENZA ALLE MALATTIE 7

e insetti (OK) Eterotica (OK) e apomittica (?

8 STRUMENTI PER IL TRANSGENICO Tossine Bt. Geni per resistenza agli erbicidi. Transgenici con vie metaboliche modificate: Golden rice, alterazione dei rapporti omega 3 omega 6; geni per resistenza alle malattie. Tecnologie basate sul silenziamento. RNAi con sequenze complementari al messaggero da eliminare. La tecnologia può essere sviluppata nella pianta per attaccare un gene del parassita (trasporto dimostrato). Possono essere controllate malattie virali, fungine, nematodi, insetti es. (in questo caso un RNAi transgenico del cotone silenzia una P450 monoxgenasi dell insetto). C Controllo della ricombinazione meiotica Cromosomi artificiali: (risultati recenti molto positivi). Apomissia. Agenti che promuovono la divisione cellulare. 8

RNAi con sequenze complementari al messaggero da eliminare. La tecnologia può essere sviluppata nella pianta per attaccare un gene del parassita (trasporto dimostrato).

9 Cotone Bt In USA viene riportato un effetto economico pari a 170 M US$. 1 milione di libbre di isetticidi in meno ore in meno di distribuzione aerea di insetticida. 2,4 milioni di galloni in meno di carburante. 93 milioni di galloni in meno di acqua contenitori di insetticidi in meno. Da: Ronald Smith (Alabama Extension) & Roger Leonard (LSU) 9

2,4 milioni di galloni in meno di carburante. 93 milioni di galloni in meno di acqua. 400.

10 mirna: piccoli RNA non codificanti (19-24 nucleotidi) Ta si RNA SI POSSONO MUOVERE E POSSIBILE UTIZZARLI ANCHE SINTETICI 10

11 La rivoluzione verde degli ultimi 50 anni, è stata accompagnata da un aumento di 6 volte nell uso dei concimi azotati, di 3.5 volte del fosforo e di 1,7 volte delle terre irrigate. Ma è anche stata capace di rispondere ai bisogni Un nuovo raddoppiamento della produzione mondiale di cibo entro il 2050 richiederà la messa in coltura di nuove terre naturali, o una ulteriore intensificazione della coltivazione dei cereali (Sett. 2011: Earth Overshoot day) Intensificare rimane una priorità PRIORITA ENERGIA GESTIONE ANCHE SOCIALE DI SOCIETA TECNOLOGICAMENTE COMPLESSE CIBO AMBIENTE Priorità tanto più valide per l Italia che importa il 35% delle derrate agricole che le necessitano. 11

Ma è anche stata capace di rispondere ai bisogni Un nuovo raddoppiamento della produzione mondiale di cibo entro il 2050 richiederà la messa in coltura di nuove terre

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