Il Progetto ISCOCEM Sviluppo tecnologico e innovazione per la sostenibilità e competitività della cerealicoltura meridionale

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1 Il Progetto ISCOCEM Sviluppo tecnologico e innovazione per la sostenibilità e competitività della cerealicoltura meridionale Gaetano Amato, Dario Giambalvo, Paolo Ruisi Dipartimento di Scienze Agrarie e Forestali, Università di Palermo Palermo, Orto botanico, 19 settembre 2014

2 CEREALI: il perché di un successo Prodotto facilmente conservabile e trasportabile Buone caratteristiche nutrizionali del prodotto Elevata adattabilità a diversi contesti ambientali Semplicità di coltivazione

3 CEREALI MICROTERMI: frumenti, orzo, avena, segale Colture di antichissima tradizione: nel Meridione d Italia coltivati già nel neolitico (ca 7000 a.c.) Ruolo chiave negli agro-ecosistemi erbacei della regione Mediterranea Granella per alimentazione umana e animale Paglie per lettiera e alimentazione zootecnica

4 Superfici (ha) investite a cereali microtermi in Italia nel 2013 (ISTAT 2014) 18% della SAU italiana; 32% della superficie a seminativo; Frumento duro al sud: 37% della superficie a seminativo

5 Problematiche attuali della cerealicoltura meridionale Rese basse ed aleatorie Costi di produzione elevati Ridotto dinamismo (bassa propensione all innovazione di processo e di prodotto) Ridotta capacità dei diversi operatori del comparto di fare sistema ( non c è dialogo! ) Produzioni indifferenziate, non riconoscibili per categorie qualitative Scarsa attenzione alla tracciabilità e rintracciabilità dei prodotti

6 Punti di forza (potenzialità spesso non espresse) Ampia diversità sia di materie prime (ecotipi locali, ambienti di coltivazione) sia di prodotti di trasformazione (pane, pasta, biscotti, etc.) Espressione e patrimonio di storia, tradizioni e cultura del nostro Paese Valore salutistico delle produzioni ( assenza di micotossine) Industria pastaria competitiva Affermazione della dieta mediterranea quale modello alimentare nazionale ed internazionale

7 PROGETTO ISCOCEM - PON01_01145 Sviluppo tecnologico e innovazione per la sostenibilità e competitività della cerealicoltura meridionale L obiettivo generale del progetto è quello di aumentare la competitività delle filiere cerealicole delle regioni dell Italia meridionale.

8 Partnership pubblico-privata Fondazione Angelo e Salvatore Lima Mancuso (capofila) 10 Istituzioni pubbliche di ricerca 6 Università (Bari, Catania, Foggia, Palermo, Reggio Calabria, Salento) Consiglio Nazionale delle Ricerche Consiglio per la Ricerca e la Sperimentazione in Agricoltura (2 sedi) Consorzio Gian Pietro Ballatore 8 aziende private 3 aziende agricole (Bulfara, S.S. Crocifisso, Pietranera) 1 azienda sementiera (COSEME) 3 industrie di trasformazione (Ioppoli, Jesce, Tomasello) 1 azienda di servizi e gestione (A.M.T. Services) 6 soggetti terzi di cui 4 fuori dall area di intervento

9 Programma di azioni integrate e sinergiche di natura sia scientifica che tecnica Ricerca Produttori di materia prima Sementieri Trasformatori Formazione (10 tecnici; 24 esperti) Divulgazione

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11 Sviluppo tecnologico e innovazione per la sostenibilità e competitività della cerealicoltura meridionale OR 1 OR 2 OR 3 OR 4 OR 5 OR 6 Obiettivi realizzativi Razionalizzazione di fattori tecnici in rapporto all'ambiente per lo sviluppo di sistemi cerealicoli sostenibili Sviluppo di nuovi genotipi di cereali con elevata adattabilità, produttività, valore tecnologico Identificazione di nuovi geni per il miglioramento del frumento duro e altri cereali Sviluppo e valutazione di prodotti alimentari con materie prime di qualità a base di farro e avena nuda Valorizzazione delle materie prime, dei processi e dei prodotti nelle fasi di produzione, di prima e seconda trasformazione della filiera del grano duro Tracciabilità, rintracciabilità e sicurezza alimentare nella filiera cerealicola Linee di attività OR 7 Marketing 5

12 OR 1 Razionalizzazione di fattori tecnici in rapporto all'ambiente per lo sviluppo di sistemi cerealicoli sostenibili Sviluppo di disciplinari di produzione per sistemi cerealicoli sostenibili nell'ambiente meridionale Valutazione delle prestazioni agronomiche ed ambientali di sistemi colturali sostenibili in confronto con sistemi colturali convenzionali Individuazione e messa a punto di tecniche di gestione conservative del suolo e dei residui colturali per la salvaguardia dell ambiente ed il contenimento dei fattori di degrado 1.4 Ottimizzazione della concimazione per una cerealicoltura sostenibile e di elevata qualità e tipicità

13 OR 2 Sviluppo di nuovi genotipi di cereali con elevata adattabilità, produttività, valore tecnologico 2.1 Messa a punto e applicazione di un protocollo di MAS per lo sviluppo di linee e varietà di grano duro resistenti alle ruggini e all'oidio 2.2 Miglioramento genetico del frumento duro 2.3 Recupero della biodiversità e valutazione di materiali genetici

14 OR 3 Identificazione di nuovi geni per il miglioramento del frumento duro e altri cereali 3.1 Sviluppo di nuovi data-set di marcatori SNP per mappe genetiche 3.2 Identificazione di nuovi alleli selvatici mediante caratterizzazione fenotipica e molecolare di linee di introgressione 3.3 Identificazione di geni e proteine coinvolte nel metabolismo dell'azoto 3.4 Identificazione di marcatori molecolari associati a geni per l elevata efficienza di utilizzo dell azoto 3.5 Identificazione di microrna e loro target coinvolti nella risposta a variazioni del livello di azoto 3.6 Individuazione di meccanismi di tolleranza allo stress idrico in varietà autoctone e moderne Analisi di espressione mediante array o sequenziamento massivo-parallelo della 3.7 risposta a stress idrico/termico per l identificazione di expression-qtl (loci che controllano il livello di espressione di geni coinvolti nella risposta a stress) 3.8 Identificazione di microrna e loro target coinvolti nella risposta a stress idrico 3.9 Studio dei geni per la biosintesi dell amido 3.10 Identificazione di geni coinvolti nell uptake di metalli pesanti in frumento duro 3.11 Caratterizzazione di geni coinvolti nella transizione ed organogenesi fiorale in frumento

15 OR 4 Sviluppo e valutazione di prodotti alimentari con materie prime di qualità a base di farro e avena nuda 4.1 Valutazione dell adattabilità e agrotecnica a basso impatto ambientale per la coltivazione di avena nuda e farro in ambiente meridionale 4.2 Sviluppo e caratterizzazione di genotipi di grano monococco e duro a ridotta o nulla attività inibitoria verso le anti-endoxilanasi e ad alterato rapporto amilosio/amilopectina ottenuti mediante TILLING (Targeting Induced Local Lesions In Genomes) e isolamento di genotipi con mutazioni a carico dei geni codificanti per i componenti dell amido 4.3 Studio della variazione dei livelli dei componenti bioattivi (contenuto in TDF, amido resistente, arabinoxilano, β-glucano, composti antiossidanti, microelementi) identificati durante le fasi di trasformazione al fine di ottimizzare la qualità nutrizionale dei prodotti 4.4 Sfarinati, pasta, pane e prodotti alimentari a base di farro o avena, in purezza o in miscela tra loro e/o con frumento 4.5 Standardizzazione di tecnologie innovative di prima trasformazione per valorizzare e/o salvaguardare il valore nutrizionale della granella

16 OR 5 Valorizzazione delle materie prime, dei processi e dei prodotti nelle fasi di produzione, di prima e seconda trasformazione della filiera del grano duro 5.1 Studio dei processi di lavorazione e di controllo delle fasi di molitura e pastificazione 5.2 Ottimizzazione e collaudo di diagrammi di macinazione ad alta efficienza energetica 5.3 Estrazione e caratterizzazione di sostanze antiossidanti dalla granella e dai sottoprodotti e/o derivati dell industria molitoria del grano duro 5.4 Esecuzione di prove di pastificazione fresca/secca in presenza di estratti fenolici e/o di isoprenoidi 5.5 Determinazione delle caratteristiche qualitative sensoriali, nutrizionali e nutraceutiche della pasta arricchita 5.6 Esecuzione di prove di panificazione in presenza di estratti fenolici e/o di isoprenoidi 5.7 Determinazione delle caratteristiche qualitative sensoriali, nutrizionali e nutraceutiche del pane arricchito di sostanze fenoliche e/o di isoprenoidi 5.8 Valorizzazione dei derivati dell industria molitoria del frumento duro per la qualità e salubrità del latte e delle carni bovine ed ovine

17 OR 6 Tracciabilità, rintracciabilità e sicurezza alimentare nella filiera cerealicola 6.1 Caratterizzazione varietale di colture convenzionali e in biologico attraverso metodologie di proteomica 6.2 Tecnologie avanzate di tracciabilità e rintracciabilità in prodotti finiti 6.3 Fattori genetici e molecolari finalizzati alla tracciabilità ed alla sicurezza dei prodotti di prima e seconda trasformazione 6.4 Identificazione di protocolli di comunicazione ITC standard a supporto dei processi di tracciabilità e rintracciabilità di filiera del frumento duro

18 OR 7 Marketing 7.1 Definizione di marchi di origine e qualità 7.2 Ricerca di nuovi ambiti di mercato e sistemi di vendita per nuove tipologie di materia prima e prodotti finiti di alta qualità e tipicità atti a soddisfare le esigenze del consumatore moderno 7.3 Indagini tecnico-economiche, conoscitive ed analisi strutturale ed organizzativa dei diversi segmenti della filiera cerealicola 7.4 Educazione alimentare 7.5 Promozione di interventi per lo sviluppo di una politica per la crescita della competitività del settore cerealicolo meridionale

19 Recupero della biodiversità I frumenti antichi siciliani

20 Molteplici situazioni pedoclimatiche e tipologie di gestione del territorio Pressione selettiva esercitata nel tempo dall ambiente e dall uomo Elevato numero di popolazioni locali (agro-ecotipi)

21 Schreiber (1934) 160 agro-ecotipi De Cillis (1942) 45 agro-ecotipi Gallo et al. (2004) 25 agro-ecotipi EROSIONE del patrimonio genetico autoctono (siciliano) di Triticum durum

22 Selezione genealogica da popolazioni locali ed esotiche 1950-metà anni 60 - Selezione dalle popolazioni segreganti ottenute per ibridazione controllata di frumenti duri della zona del Mediterraneo Metà anni Introgressione di caratteri importanti attraverso incroci interspecifici (con altri frumenti tetraploidi e con frumenti esaploidi). Uso della mutagenesi Introgressione dei geni Rht per la taglia ridotta e incroci con materiali provenienti dal CIMMYT Dagli anni 80 ad oggi - Intensa attività di miglioramento genetico e costituzione di decine di nuove varietà

23 Sintesi dei risultati di diverse ricerche Varietà moderne vs popolazioni antiche > Produzione in granella > Precocità < Taglia > Fertilità della spiga > Peso di 1000 cariossidi < Suscettibilità ad alcune avversità biotiche Quindi, perché coltivare le vecchie varietà o le popolazioni? > Qualità tecnologica > Indice di glutine > Indici alveografici (W, P/L)

24 Popolazioni antiche: Aspetti da considerare Maggiore efficienza di utilizzazione delle risorse (acqua, luce, nutrienti) anche allorquando le stesse sono contese Maggiore abilità competitiva nei confronti delle infestanti Co-prodotto: paglia (utilizzazione zootecnica, filiera energetica, sostanza organica apportata al suolo) Qualità sensoriale prodotti tipici Aspetti salutistici

25 Variabilità nei composti fenolici dello sfarinato integrale di grano duro (da Dinelli et al., 2009) Contenuto (μmol acido gallico equiv./100 g) Numero Varietà Antiche (3) Moderne (7) Composti liberi Composti legati Composti liberi 8,7 4,4 Composti legati 12,0 8,4

26 Glutine: complesso proteico costituito da gliadine e glutenine; le α-gliadine vengono scisse, nel lume intestinale, in frazioni più piccole con la formazione di alcuni peptidi potenzialmente tossici, che rappresentano i determinanti antigenici responsabili dell insorgenza della risposta immunitaria

27 Caratteristiche feno-morfologiche e produttive di 3 gruppi di genotipi di frumento duro (da Motzo et al. 2004) G1 G2 G3 21 Landraces ( ) 8 Selezioni da incrocio e mutagenesi ( ) 7 Varietà moderne ( ) Antesi g Altezza cm Biomassa g/m Granella g/m HI P1000 g Proteine granella % Azoto paglia % NHI Gluten Index %

28 Indici alveografici e composizione delle glutenine e delle gliadine (da De Vita et al. 2007) Genotipo Anno di Costituzione W P/L Glu-B1 «Forza» «Elasticità» Gli-B1 Gli-A2 γ-gli ω-gli α-gli Timilia ;46 23;35 76;78;80;82;85 Russello ;46;51 23;25;35;38 76;78;80;82;85;94 Cappelli ;51 23;35 73;77;79;84;89 Aziziah ;33;35;38 73;77;79;84;89 Grifoni ;46 23;31;35 76;78;80;82;85;94 Capeiti ; ;77;79;84;89 Trinakria ; ;77;79;84;89 Appulo ;46 23;35 73;77;79;84;89 Creso ;51 23;35 73;77;79;84;89 Valnova ;51 23;35 73;77;79;84;89 Arcangelo ;51 23;35 73;77;79;84;89 Duilio ;51 23;35 76;78;80;82;85;94 Simeto ;51 23;35 73;77;79;84;89 Ofanto ;51 23;35 73;77;79;84;89

29 ? È possibile che le modifiche indotte dal miglioramento genetico sulla composizione e qualità del glutine abbiano qualche relazione con l aumento dell incidenza delle patologie glutine-correlate (celiachia, allergia e ipersensibilità al glutine)??

30 Ricerca in corso: tipizzazione di antiche popolazioni siciliane e varietà di frumento duro dal punto di vista genomico e proteomico al fine di identificare (anche attraverso saggi di vitalità e tossicità cellulare eseguiti in vitro) eventuali genotipi contenenti peptidi tollerati dai soggetti affetti da ipersensibilità al glutine

31 Ricerche in atto: - Completare la caratterizzazione morfo-agronomica del germoplasma autoctono, incentrando l attenzione sulla variabilità di risposta a stress biotici (patogeni, fitofagi, ecc.) e abiotici (idrici, termici, nutrizionali, ecc.) nonché sui meccanismi genetici e fisiologici che ne stanno alla base - Approfondire le conoscenze sugli aspetti nutrizionali, salutistici e sensoriali - Effettuare la genotipizzazione (con metodiche molecolari) anche al fine di garantire la tracciabilità dei prodotti nella filiera agroalimentare

32 Il Progetto ISCOCEM Sviluppo tecnologico e innovazione per la sostenibilità e competitività della cerealicoltura meridionale Gaetano Amato, Dario Giambalvo, Paolo Ruisi Dipartimento di Scienze Agrarie e Forestali, Università di Palermo Palermo, Orto botanico, 19 settembre 2014