Un progetto europeo dedicato ad implementare le conoscenze genomiche e le tecnologie predittive per il breeding dell’orzo
di ALESSANDRO CANTARELLI e LUIGI CATTIVELLI
Premessa
Agrarian Sciences fin dall’atto della sua fondazione avvenuta nel 2014, ha sempre e volentieri dato spazio a notizie e contributi che apportassero, alla eterogenea ed attenta platea dei propri lettori, contributi originali inerenti la cogente sfida di una agricoltura necessariamente più produttiva (saremo circa 10 miliardi di persone nel 2050!), ma al contempo rispettosa dei delicati equilibri degli agro ecosistemi, in altre parole assicurare la sostenibilità delle produzioni e dell’attività agricola in generale (compresa la sostenibilità economica). “Alle soglie del terzo millennio la scienza agronomica sente il bisogno di rimeditare e valorizzare le conoscenze acquisite e le convinzioni maturate nel passato, ma sente anche, soprattutto, il bisogno di nuova ricerca e di nuovi evolventi risultati”, sono le note conclusive in calce alle “Riflessioni aperte”, dell’ultima edizione (2012) del noto testo universitario di Agronomia del Prof. Luigi Giardini dell’Università di Padova; manuale di riferimento per generazioni di studenti e agronomi italiani.
E’ pertanto oggetto di pubblicizzazione in queste pagine, tutto ciò che conduce allo sviluppo di nuovi traguardi scientifici a beneficio dell’attività e delle produzioni agricole. Restringendo il campo della presente trattazione alla coltura dell’orzo (che in termini quantitativi rappresenta il quarto cereale per importanza), la pressante sfida di una maggiore produttività agraria potrà essere vinta, solo grazie all’avanzamento negli studi di quel corpo interdisciplinare di materie che nel loro insieme costituiscono dalla loro costituzione l’Agronomia generale: materie che nel rapido svolgersi degli anni si sono sempre maggiormente specializzate, fino ad assumere esse stesse piena autonomia disciplinare.Tra queste il Miglioramento genetico in campo vegetale, che attraverso la Genomica (scienza che si occupa dello studio del genoma degli organismi viventi, determinandone la struttura, il contenuto, la funzione e l’evoluzione (cfr. Terzi e Tumino, 2016), sta svolgendo già oggi un ruolo chiave, e molto di più farà nel prossimo futuro, secondo il parere di autorevoli autori (cfr. A.A.V.V. indicati in bibliografia e Saltini, 2015).La coltura dell’orzo (Hordeum spp. pl.) stimata attualmente in circa 150 milioni di tonnellate, interessa oltre 100 nazioni e la granella è utilizzata per l’alimentazione animale, umana (sembra perfino banale citare prodotti di largo consumo quali la birra, il whisky…, per arrivare al crescente interesse dell’industria alimentare e della nutraceutica per i β glucani e le maltodestrine) ed infine per la produzione di alcool.
E’ pertanto oggetto di pubblicizzazione in queste pagine, tutto ciò che conduce allo sviluppo di nuovi traguardi scientifici a beneficio dell’attività e delle produzioni agricole. Restringendo il campo della presente trattazione alla coltura dell’orzo (che in termini quantitativi rappresenta il quarto cereale per importanza), la pressante sfida di una maggiore produttività agraria potrà essere vinta, solo grazie all’avanzamento negli studi di quel corpo interdisciplinare di materie che nel loro insieme costituiscono dalla loro costituzione l’Agronomia generale: materie che nel rapido svolgersi degli anni si sono sempre maggiormente specializzate, fino ad assumere esse stesse piena autonomia disciplinare.Tra queste il Miglioramento genetico in campo vegetale, che attraverso la Genomica (scienza che si occupa dello studio del genoma degli organismi viventi, determinandone la struttura, il contenuto, la funzione e l’evoluzione (cfr. Terzi e Tumino, 2016), sta svolgendo già oggi un ruolo chiave, e molto di più farà nel prossimo futuro, secondo il parere di autorevoli autori (cfr. A.A.V.V. indicati in bibliografia e Saltini, 2015).La coltura dell’orzo (Hordeum spp. pl.) stimata attualmente in circa 150 milioni di tonnellate, interessa oltre 100 nazioni e la granella è utilizzata per l’alimentazione animale, umana (sembra perfino banale citare prodotti di largo consumo quali la birra, il whisky…, per arrivare al crescente interesse dell’industria alimentare e della nutraceutica per i β glucani e le maltodestrine) ed infine per la produzione di alcool.
Il progetto
Queste brevi note introduttive, per richiamare l’attenzione sul progetto BARISTA (Advanced tools for breeding BARley for Intensive and SusTainable Agriculture under climate change scenarios), un progetto finanziato sul bando SUSCROP2019 da parte di un consorzio di paesi europei riuniti nell’iniziativa FACCA-JPI e dedicato al miglioramento genetico dell’orzo. BARISTA sviluppa strumenti avanzati per il miglioramento genetico delle piante utilizzando l’orzo come sistema modello e come target attraverso l’applicazione di sistemi di modellizzazione e di predizione della performance (genomic prediction, GP, e crop simulation modelling, CSM) capaci di ter conto dell’impatto dei futuri scenari climatici. L’uso di CSM e GP consentirà di valutare l’impatto di nuovi caratteri nel futuro contesto ambientale per diverse regioni climatiche del continente europeo. Questi strumenti di modellizzazione saranno finalizzati a migliorare il potenziale genetico delle varietà coltivate attraverso l’introgressione di caratteri e geni in grado di aumentare la resilienza ai cambiamenti climatici, la resistenza all’allettamento, la resistenza ai patogeni e la produzione in condizioni di scarsità di risorse. Lo sviluppo dei sistemi di modellizzazione sarà realizzato attraverso un ampio dataset di dati fenotipici e genotipici generati in progetti precedenti partecipati dai partner di BARISTA e sulla comprensione delle basi genetiche di caratteri principalmente legati alla resilienza dell’orzo a stress biotici e abiotici. Utilizzando orzo come modello, BARISTA fornirà nuove strategie e strumenti per supportare il miglioramento genetico delle colture, con lo scopo ultimo di selezionare nuove varietà ad alto rendimento per le future condizioni climatiche.
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| Spighe di orzo in fase di maturazione.Da: Agricoltura, Regione Emilia-Romagna |
Il miglioramento genetico delle piante ha notevolmente aumentato la produttività complessiva nell'UE, impattando significativamente sul benessere sociale e sulla sostenibilità agricola. Migliorare ulteriormente i metodi di selezione, aumentando l'accuratezza di predizione dei fenotipi delle piante coltivate, sarà fondamentale per assicurare raccolti sufficienti per una popolazione che raggiungerà i 10 miliardi entro il 2050, in un’ottica di limitazione delle risorse e di resilienza ai cambiamenti climatici. La selezione basata su marcatori del DNA a livello genomico (Genomic Selection) è stata proposta come metodica per incrementare il guadagno genetico quando si considerano caratteri complessi come la produzione, governati da più geni con piccoli effetti. Tuttavia, la forte interazione non lineare tra genotipo e ambiente (GxE) rende difficoltoso stimare i rapporti tra varianti del genoma e varianti fenotipiche, quando si considerano ambienti differenti; Inoltre, poca attenzione è stata data fino ad oggi all’utilizzo di modelli eco-fisiologici in grado di spiegare in parte tale interazione. Tali metodi di Crop Simulation Modelling (CSM) utilizzano infatti parametri che descrivono le caratteristiche morfologiche e fisiologiche dei diversi genotipi in esame, variabili che caratterizzano gli ambienti e i metodi di allevamento della coltura, e set di equazioni in grado di stimare le interazioni tra genotipo, ambiente e gestione (GxExM). Prendendo come modello orzo, il progetto BARISTA proporrà strategie e strumenti innovativi per il miglioramento genetico che integrano predizione genomica, Crop Simulation Modelling e dissezione genetica di caratteri complessi, per la selezione di ideotipi ad alto rendimento nelle condizioni climatiche future.
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| Parcelle sperimentali con diverse varietà di orzo. Da Terra e Vita, Edagricole |
I Crop Simulation Models (CSMs), sono le rappresentazioni matematiche delle interazioni fisiche e biologiche nonché dei processi, aventi luogo nel sistema pianta-suolo-atmosfera.
In BARISTA l’implementazione dei CSMs è rivolta ad una serie di fattori e parametri volti essenzialmente a:
- riprodurre le condizioni di crescita e di resa di campo nei diversi ambienti;
- comprendere la risposta delle differenti varietà d’orzo impiegate alle diverse condizioni di siccità, stress, elevate concentrazioni di CO₂, differenti livelli di disponibilità azotata e condizioni colturali;
- identificare ideotipi d’orzo per ambienti target;
- collegare i diversi parametri dei modelli genetici ed ecofisiologici, per migliorare l’ideotipizzazione per tratti genetici certi: Genetics x Environments interactions;
- esplorare le diverse opzioni di adattamento (management strategies), per affrontare al meglio le difficili condizioni di stress verso le quali la coltura può, di volta in volta, venirsi a trovare.
Attraverso i modelli di predizione genomica Genomic Prediction o GP, si cercano di combinare i marcatori molecolari con le informazioni fenotipiche, al fine di creare modelli statistici che possano aiutare scienziati e breeders a rendere ancora più efficiente la selezione dei nuovi individui o genotipi, aventi performance superiori. Per ottenere un ideotipo di orzo altamente produttivo e sostenibile considerando i prossimi scenari climatici, sono altresì necessari nuovi caratteri (e i corrispondenti alleli), che permettano di selezionare genotipi con migliore efficienza dell'uso di azoto (NUE), resistenti alla siccità, alle malattie e all'allettamento e in grado di sfruttare la concentrazione più alta di CO₂ ed adattare il proprio ciclo fenologico all’aumento della temperatura globale. BARISTA applicherà metodi avanzati di fenotipizzazione ed analisi genomiche per definire le basi genetiche di questi caratteri rilevanti per l'intensificazione sostenibile dei sistemi colturali.
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| Spighe di orzo distico. Da: INSOR.eu |
Le conoscenze sviluppate nel progetto BARISTA contribuiranno a sviluppare soluzioni sostenibili per il miglioramento genetico dell’orzo, basate sulla genetica, sulla genomica e sulla modellistica. Le metodiche utilizzate potranno essere direttamente sfruttate da CREA-GB nei propri programmi di breeding, che attualmente sfruttano le informazioni di pochi marcatori molecolari in approcci di Marker Assisted Selection. Allo stesso modo, le aziende sementiere che partecipano a BARISTA in qualità di partners, subcontraenti o membri dello stakeholder committee beneficeranno dei risultati per aggiornare i loro metodi di breeding e per sviluppare nuove varietà di orzo più produttive, anche in considerazione dei previsti cambiamenti climatici. Le attività di pre-breeding previste nel progetto contribuiranno a valorizzare e sfruttare la diversità genetica della specie orzo. I metodi e i modelli sviluppati in BARISTA potranno inoltre essere esportati ad altre specie cerealicoli affini quali il frumento tenero e il frumento duro, l’avena e il triticale.
Per questo ambizioso progetto è stato istituito all’uopo un Consorzio europeo composto da ben 12 partners provenienti da otto nazioni diverse: Danimarca, Estonia, Finlandia, Germania, Italia, Regno Unito, Polonia e Spagna.Con notevole soddisfazione per il riconoscimento attribuito ad una Istituzione pubblica di ricerca del nostro Paese, che già da anni si distingue per la qualità delle sue ricerche in ambito internazionale (di alcuni traguardi di successo, ne è stata data notizia anche su queste pagine, cfr. Cattivelli, prima e seconda parte, 2019; Cantarelli, 2019), il coordinamento di BARISTA è stato affidato al CREA-Centro di Ricerca per la Genomica e la Bioinformatica di Fiorenzuola d’Arda (Piacenza), nella persona del suo direttore dott. Luigi Cattivelli.
L’Italia è coinvolta in questo progetto anche tramite l’Università Statale di Milano, Dipartimento di Scienze Agrarie ed Ambientali, nella persona della Prof.ssa Laura Rossini.I risultati del progetto, potranno essere diffusi ed implementati attraverso opportuni accordi con ditte private e Stazioni Sperimentali di livello internazionale (es. ICARDA), così come tutti gli Stakeholders individuati attraverso un apposito Comitato (per maggiori dettagli, si rimanda direttamente ai collegamenti indicati nella bibliografia indicata in calce).
Per questo ambizioso progetto è stato istituito all’uopo un Consorzio europeo composto da ben 12 partners provenienti da otto nazioni diverse: Danimarca, Estonia, Finlandia, Germania, Italia, Regno Unito, Polonia e Spagna.Con notevole soddisfazione per il riconoscimento attribuito ad una Istituzione pubblica di ricerca del nostro Paese, che già da anni si distingue per la qualità delle sue ricerche in ambito internazionale (di alcuni traguardi di successo, ne è stata data notizia anche su queste pagine, cfr. Cattivelli, prima e seconda parte, 2019; Cantarelli, 2019), il coordinamento di BARISTA è stato affidato al CREA-Centro di Ricerca per la Genomica e la Bioinformatica di Fiorenzuola d’Arda (Piacenza), nella persona del suo direttore dott. Luigi Cattivelli.
L’Italia è coinvolta in questo progetto anche tramite l’Università Statale di Milano, Dipartimento di Scienze Agrarie ed Ambientali, nella persona della Prof.ssa Laura Rossini.I risultati del progetto, potranno essere diffusi ed implementati attraverso opportuni accordi con ditte private e Stazioni Sperimentali di livello internazionale (es. ICARDA), così come tutti gli Stakeholders individuati attraverso un apposito Comitato (per maggiori dettagli, si rimanda direttamente ai collegamenti indicati nella bibliografia indicata in calce).
Si conclude con l’osservazione che è grazie a progetti di ricerca come questi che il “carrello della spesa” (a prescindere dalle ristrettezze economiche di questi ultimi tempi) continuerà anche nel prossimo futuro ad essere pieno. A dispetto di mode “bucoliche” oltremodo antistoriche, ma di sicuro impatto sul portafogli. Ed è anche attraverso la ricerca che si persegue l’unità europea.Mai come in questi tempi di limitazioni nelle attività e negli spostamenti (nella ricerca agraria si potrebbe osservare, per paradosso, quanto questo processo di “contingentamento” sia iniziato purtroppo molto prima…!), anche nelle quotidiane abitudini a causa dell’emergenza da Covid 19, se il buon giorno si vede dal mattino, ecco che il lavoro del BARISTA (in senso lato, a partire dal presente progetto europeo), non è mai stato così apprezzato come ora e risulta oltremodo essere di buon auspicio!
BIBLIOGRAFIA utile per una migliore comprensione ed approfondimento dei contenuti riportati nel testo
BARISTA FOR SUISTAINABLE BARLEY
https://www.barleyhub.org/projects/barista/
https://www.faccejpi.com/
https://www.suscrop.eu/
http://www.ricercainternazionale.miur.it/era/eranet-cofund-(h2020).aspx
http://www.ricercainternazionale.miur.it/era/eranet-cofund-(h2020)/suscrop.aspx
Genetica e Genomica
Bretani G., PHD candidate. Charatherization and dissection of natural genetic diversity for culm traits in barley (Hordeum vulgare). Università degli studi di Milano. Department of Agricultural and Environmental Sciences Production, Landscape, agroenergy (DiSAA), 06/02/2019. Phd.unimi_R11255. Disponibile su: https://air.unimi.it/handle/2434/619737#.X9dhR6ZYZZU
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Cattivelli L. (a cura di). Pubblicato su “Nature Genetics” il genoma del frumento duro. Agrarian Sciences, 23 aprile 2019, prima parte. Su: https://agrariansciences.blogspot.com/2019/04/pubblicato-su-nature-genetics-il-genoma.html
Cattivelli L. Sequenziamento del genoma del grano duro. Agrarian Sciences, 3 maggio 2019, seconda parte. Su: https://agrariansciences.blogspot.com/2019/05/sequenziamento-del-genoma-del-frumento.html
Cattivelli L., Valè G. Next Generation Breeding: le conoscenze genomiche rivoluzionano il miglioramento genetico. In: Galbiati M., Gentile A., La Malfa S., Tonelli C. (a cura di). Biotecnologie Sostenibili, Edagricole, Bologna, 2017, cap. 1, pp. 1-13.
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Galbiati M., Petroni K., Cominelli E., Tonelli C. Le biotecnologie vegetali: presente e futuro. In: Pisante M. (a cura di). Agricoltura sostenibile. Edagricole, Bologna, 2013, cap. 9, pp. 207-229.
Lionetti V., Cervone F. La resistenza ai patogeni: approcci biotecnologici sostenibili per il miglioramento della resistenza alle malattie. In: Galbiati M., Gentile A., La Malfa S., Tonelli C. (a cura di). Biotecnologie Sostenibili, Edagricole, Bologna, 2017, cap. 7, pp. 93-106.
Marocco A., Maschietto V., Lanubile A. La genetica e le biotecnologie per la resistenza agli stress biotici. In: Battilani P. (a cura di). Difesa sostenibile delle colture. Edagricole, Bologna, 2016, cap. 10, pp. 191-205.
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Saltini A. The Workings of Western Research Centres. In: Saltini A. Agrarian Sciences in the West (translated by Scott J.J.). Nuova Terra Antica editore, Firenze, 2015, vol. VII, cap. XIX, pp. 409-432.
Saltini A. The Challenge of a Growing Population: Can Agricultural Output Duoble over the Next Thirty Years? In: Saltini A. Agrarian Sciences in the West (translated by Scott J.J.). Nuova Terra Antica editore, Firenze, 2015, vol. VII, cap. XX, pp. 449-466.
Saltini A. The future of Genetics: Develop New Plants or Improve Old Ones? In: Saltini A. Agrarian Sciences in the West (translated by Scott J.J.). Nuova Terra Antica editore, Firenze, 2015, vol. VII, cap. XXII, pp. 467-480.
Stanca M., Marocco A., Pecchioni N., Valè G., Odoardi M., Faccioli P., Cattivelli L., Terzi V. Genetica vegetale. In: Pimpinelli S. (a cura di). Genetica. Casa Editrice Ambrosiana,Milano, 2014, cap. 9, pp. 155-221.
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Efficienza di fertilizzazione e/o Nitrogen (or Nutrient) Use Efficiency
Alessio Vernì M., Ciavatta C. Fertilizzanti: commodities e nuove tipologie. In: Grignani C. (a cura di). Fertilizzazione sostenibile. Edagricole, Bologna, 2016, cap. 2, pp. 9-55.
Giardini L. Concimi minerali e concimazione. In: Giardini L., L’AGRONOMIA per conservare il futuro. Patron Editore, Bologna, 2012 (VI ed.), cap. 15, pp. 431-496.
Masoni A., Bechini L., Fagnano M., Marino Gallina P. Interventi sulle caratteristiche chimiche e biologiche del suolo: fertilizzazione. In: Ceccon P., Fagnano M, Grignani C., Monti M., Orlandini S. Agronomia. Edises-SIA, Napoli, 2017, cap. 9, pp. 279-323.
Water Use Efficiency
Ciccarese A., Rubino P., Tarantino E. La programmazione irrigua delle colture agrarie. In: Mastrorilli M. (a cura di). L’acqua in agricoltura. Edagricole, Bologna, 2015, cap. 14, pp. 279-314.
Giardini L. Irrigazione. In: Giardini L., L’AGRONOMIA per conservare il futuro. Patron Editore, Bologna, 2012 (VI ed.), cap. 11, pp. 271-327.
Perniola M, Giuliani M. Interventi sul contenuto idrico del suolo: drenaggio e irrigazione. In: Ceccon P., Fagnano M, Grignani C., Monti M., Orlandini S. Agronomia. Edises-SIA, Napoli, 2017, cap. 6, pp. 201-230.
Modelli predittivi colturali o Crop Simultation Models
Ercoli L., Giunta F., Guiducci M., Motzo R., Tosti G. Produttività delle comunità vegetali. In: Ceccon P., Fagnano M, Grignani C., Monti M., Orlandini S. Agronomia. Edises-SIA, Napoli, 2017, cap. 4, pp. 137-181.
Giardini L. Ecosistema, interventi agronomici e risposte. In: Giardini L., L’AGRONOMIA per conservare il futuro. Patron Editore, Bologna, 2012 (VI ed.), cap. 1, pp. 27-46.
ALESSANDRO CANTARELLI
LUIGI CATTIVELLI
Direttore del CREA Centro di Ricerca Genomica e Bioinformatica di Fiorenzuola d'Arda, PC. Genetista ed esperto di miglioramento genetico dei cereali.
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