MAS -Marker Assisted Selection SELEZIONE ASSISTITA DA MARCATORI CHE COS E La Selezione Assistita da Marcatori (MAS, Marker Assisted Selection) è una tecnica che accelera e semplifica la selezione delle migliori caratteristiche delle piante attraverso incroci ripetuti. Si fonda sul principio che la diversità biologica presente all interno di una stessa specie offre la possibilità di individuare varietà sessualmente compatibili con quelle di interesse commerciale, in grado di esprimere caratteristiche particolari. Per migliaia di anni l uomo ha effettuato una selezione favorendo la riproduzione di animali e vegetali meglio adattati alle condizioni ambientali locali e in grado di garantire una maggiore resa produttiva. Ancora oggi questa pratica rappresenta uno strumento essenziale per garantire il continuo miglioramento varietale animale e vegetale, ma molto spesso i tempi per ottenere nuove varietà sono molto lunghi. Per poter scegliere gli individui migliori da riprodurre, infatti, si deve aspettare che la pianta abbia raggiunto lo stadio di maturità in cui siano visibili le caratteristiche che si vogliono selezionare. Nel caso in cui si voglia intervenire sulle caratteristiche dei frutti, ad esempio, è necessario attendere il raggiungimento della maturità sessuale che, soprattutto nelle specie arboree, può richiedere anni. Molti caratteri, inoltre, sono difficili, se non impossibili, da identificare osservando il fenotipo, ovvero il risultato dell interazione delle informazioni ereditarie (genotipo), con l ambiente circostante che può inibire o attivare l espressione di uno o più geni presenti nel DNA. Nel caso in cui si vogliano selezionare varietà con accresciute proprietà nutritive o resistenti a stress abiotici, quali siccità e salinità, la selezione tradizionale fatta sulla base delle caratteristiche del fenotipo richiederebbe uno sforzo aggiuntivo senza offrire garanzie certe sui risultati. La Selezione Assistita da Marcatori (MAS) è un modo per accelerare questi processi di selezione tradizionali utilizzando le conoscenze di genetica e biologia molecolare.
Tale tecnica si è dimostrata particolarmente utile per selezionare varietà di diverse specie vegetali con accresciute capacità produttive, di resistenza agli attacchi parassitari, di maggior tolleranza alla salinità o con migliorate qualità nutritive. COME FUNZIONA Tutti gli organismi viventi trasmettono alla progenie delle caratteristiche specifiche che sono codificate nel materiale genetico, costituito da una o, più comunemente, due catene di DNA (acido desossiribonucleico) o RNA (acido ribonucleico). I singoli anelli delle catene di DNA sono costituiti dai nucleotidi le cui unità funzionali alla trasmissione dei caratteri ereditari sono 4 composti chimici (basi azotate): adenina (A), citosina (C ), guanina (G) e tirosina (T) (sostituita dall uracile nel caso dell RNA). Un numero minimo di sequenze nucleotidiche particolari (geni) è alla base della codifica dei caratteri ereditari mentre della maggior parte del materiale genetico presente nel DNA non se ne conoscono ancora a fondo le funzioni. Negli organismi superiori i cromosomi sono presenti in coppie (omologhi) e cosi, quindi, i singoli geni che pero possono codificare informazioni diverse, come quelli, ad esempio responsabili del colore degli occhi nell uomo. Quando lo stesso gene è in grado di esprimere lo stesso carattere in modi diversi si parla di alleli che possono essere recessivi, nel caso in cui si esprimono solo se lo stesso allele è presente in entrambi i cromosomi (omozogosi), o dominanti se il carattere di cui sono portatori si esprime anche se l allele è presente in singola copia (eterozigoti). La MAS sfrutta la presenza, tra varietà della stessa specie, di alleli diversi dello stesso gene che siano in grado di esprimere caratteri desiderati. Con la mappatura genetica e l applicazione di tecniche di biologia molecolare, è possibile individuare ed, eventualmente, isolare i geni che codificano particolari caratteri e associarli a determinate sequenze nucleotidiche che si trovano prima e dopo di loro lunga la catena di DNA e che nel corso della riproduzione vengono trasferite assieme ai geni cui sono associate. Supponiamo, ad esempio, di voler usare queste informazioni per trasferire un determinato carattere (o più caratteri) codificato da un allele presente in una varietà donatrice (A), priva di valore commerciale, in una varietà ricevente (B) di interesse economico. Conoscendo la sequenza dei marker molecolari, un rapido test del DNA della progenie derivante dall incrocio A x B consente di individuare gli individui che presentano sequenze nucleotidiche tipiche della varietà B ad eccezione della presenza dell allele desiderato proveniente dalla varietà A e vengono quindi selezionati per essere incrociati di nuovo con individui della varietà B. Questo processo di incrocio mirato viene ripetuto fino a che l allele non sia stabilmente incluso nel genoma della nuova varietà (introgressione). Grazie alla MAS è possibile dimezzare i tempi richiesti dalle tradizionali tecniche di ibridazione, basate sulla selezione fenotipica degli individui adulti. Si è inoltre dimostrata particolarmente adatta per intervenire sul trasferimento di caratteri poligenici, regolati cioè dall azione congiunta di più geni.
Per saperne di più: FAO, 2006. Risultati del forum elettronico sulle biotecnologie (ftp://ftp.fao.org/docrep/fao/009/a0744e/a0744e00.pdf) FAO, 2007. Marker-assisted selection : Current status and future perspectives in crops, livestock, forestry and fish (http://www.fao.org/docrep/010/a1120e/a1120e00.htm) LE DIFFERENZE TRA MAS E OGM Le varietà prodotte con l applicazione della MAS non contengono frammenti di DNA estraneo alla specie cui appartengono dal momento che l introgressione dei caratteri avviene tramite riproduzione sessuata e per semplice modifica degli alleli di uno stesso gene. Cio significa che il numero e la disposizioni dei nucleotidi lungo la catena del DNA è identica agli individui appartenenti alla varietà di partenza. Al contrario, per creare un OGM è necessario bombardare culture cellulari della specie che si vuole modificare con un pacchetto di materiale ereditario costituito dal gene di interesse accompagnato da geni che ne regolano l attività (promoters). In diversi casi, inoltre, ne vengono anche aggiunti alcuni che esprimono la resistenza a specifici antibiotici e che hanno l unica funzione di agevolare il processo di selezione delle cellule che si sono trasformate come desiderato. Dopo aver bombardato la coltura cellulare con il pacchetto transgenico, è sufficiente esporla agli antibiotici di cui si è indotta resistenza per uccidere tutte le cellule che non hanno incluso nel loro DNA i geni esogeni. Anche se in termini relativi il materiale genetico aggiunto al DNA ricevente rappresenta percentuali trascurabili, gli OGM presentano un numero di geni superiore a quello del DNA di partenza ed una diversa sequenza nucleotidica. Gli effetti di cio sono difficilmente prevedibili dal momento che è conosciuta la possibilità di interazione tra geni diversi nonché la possibilità che l inclusione casuale del transgene in un diverso genoma possa attivare, sopprimere o modificare l azione di altri geni. L ingestione di OGM che contengono anche i geni di resistenza agli antibiotici, inoltre, espone l organismo al rischio che frammenti di DNA transgenico vengano inclusi nel genoma dei batteri gastrici ed intestinali degli animali, uomo incluso, rendendoli immuni agli antibiotici. Nel caso in cui l organismo venisse attaccato da batteri patogeni l ibridazione con la flora batterica endogena potrebbe finire per creare ceppi patogeni resistenti che finirebbero per rendere inefficaci i trattamenti terapeutici con gli antibiotici target. L insieme di questi rischi ha spinto il legislatore, in particolare europeo, ad emanare norme che regolano diversi aspetti che coprono il rilascio in ambiente di OGM, la loro presenza in alimenti e mangimi animali e la relativa etichettatura e l uso di marker di resistenza agli antibiotici.
L OECD ha stimato che i costi amministrativi per il rilascio di un nuovo OGM sono compresi tra i 0,4 ed i 13 milioni di dollari che vanno ad aggiungersi ai costi di ricerca. Le varietà prodotte dalle MAS non presentano nessuno di questi elementi di incertezza né costi aggiuntivi per le autorizzazioni ed è per questa ragione che non vengono osteggiati dalla società civile come invece accade per gli OGM. CASI DI APPLICAZIONE DELLA MAS La selezione assistita con l ausilio di marker molecolari viene praticata con grande successo da ben prima dell avvento degli OGM e con risultati decisamente più incoraggianti e meno controversi addirittura in diversi PVS. A questo punto è pero d obbligo ricordare che soluzioni tecnologiche possono essere utili strumenti in Paesi dove esiste un sistema produttivo organizzato e una strategia di sviluppo agricolo ed in assenza dei quali l apporto tecnologico del miglioramento varietale non puo essere valorizzato. Selezionare nuove varietà più produttive puo risolvere i problemi strutturali della fame nel mondo che risiedono nella povertà, nella mancanza di accesso a beni, quale l acqua, o ai servizi, quali le infrastrutture viarie o ancora per l impossibilità di competere su un mercato internazionale drogato dai sussidi all agricoltura dei Paesi più ricchi. Dai forum di discussione sulle le biotecnologie in campo agroalimentare organizzati dalla FAO, è emersa chiara la necessità che anche applicazioni non controverse come la MAS vadano ad integrare e non sostituire, le tecniche di selezione tradizionale valutando attentamente, anche sotto il profilo economico, il valore aggiunto apportato. Cio premesso, le potenzialità della MAS, soprattutto con l utilizzo di nuove tecniche di mappatura dei marker molecolari e l applicazione della bioinformatica, viene riconosciuta da più parti ma rimane difficile avere un conto preciso delle varietà prodotte con la MAS già immesse sul mercato. La difficoltà è data dall assenza di atti obbligatori precedenti l immissione e l assenza di un registro separato da quello delle varietà tradizionali. In un rapporto della FAO del 2007 sullo stato di applicazione di diverse biotecnologie in campo vegetale la MAS risulta applicata in 11 dei 25 PVS analizzati, mentre la transgenesi interessa appena 3 Paesi. Complessivamente nel rapporto vengono riportati 677 progetti di applicazione della MAS su coltivazioni erbacee ed arboree a diverse fasi di sviluppo come riportato nella tabella seguente Fase Culture erbacee Culture arboree Totale Sperimentazione 344 179 523 Sperimentazione in 107 8 115 campo Commercializzazione 4 1 5 Non identificata 34 0 34 Totale 489 188 677 In un rapporto del 2009, Greenpeace International identifica 28 varietà selezionate con la MAS e già immesse sul mercato, di cui 15 registrate negli USA (54%), 5 in India(18%), 2 in Australia, Indonesia e Filippine (21%) e una in Italia ed in Cina (8%).
A differenza degli OGM la cui stragrande maggioranza esprime caratteri di resistenza agli erbicidi e/o ad attacchi di insetti, 23 delle 28 varietà riportate (82%) presentano caratteristiche di resistenza ad attacchi patogeni. Inoltre, mentre la transgenesi viene applicata prevalentemente a coltivazioni di commodities (mais, soia e cotone) nel caso della MAS il rapporto è inverso: 10 delle 28 varietà da MAS riguardano il riso, 4 orzo e fagioli, 6 grano e 1 miglio, soia, mais e pomodoro. Oltre alle varietà giunte alla fase di commercializzazione, la ricerca sulle possibili applicazioni della MAS riguarda patate, cassava, patate dolci, cacao, banano, canna da zucchero e diverse leguminose. La MAS sembra essere particolarmente utile a facilitare il passaggio di caratteri quantitativi, quelli cioè regolati dall azione di più geni come la resistenza alla siccità o alla salinità. IN ITALIA Le stime sulle varietà ottenute con la MAS e già presenti sul mercato sono molto sottodimensionate e diverse nuove varietà sono già da anni sul mercato presentate come varietà tradizionali. In Italia, oltre ad alcuni centri di ricerca di multinazionali sementiere, il Consorzio Sementi dell Emilia Romagna presenta diverse linee di ricerca di applicazione della MAS sul grano per la selezione di varietà resistenti ad attacchi fungini e batterici, con elevato contenuto in amilosio, resistenti alla siccità ed alla carenza di azoto. Diversi centri di ricerca italiani sono da anni impegnati nel campo della MAS con progetti che riguardano, tra gli altri, il grano, il pomodoro, il peperone, il melo e la susina. Tra le istituzioni pubbliche di ricerca figurano in particolare l Università Federico II di Napoli, diverse sedi CNR, l Università di Bologna, l Istituto di Cerealicoltura di Fiorenzuola d Arda e il Consiglio per la Ricerca e la Sperimentazione in Agricoltura del Ministero delle Politiche Agricole e Forestali, l Università di Catania, l Univesità di Torino e l Istituto sperimentae di frutticoltura di Roma. IN EUROPA In Europa esistono vari centri di ricerca che si occupano della Mas, presenti soprattutto in Scozia,Germania, Paesi Bassi, Turchia, Francia, Regno Unito, Austria.