La ricerca sui cereali contro la fame e a favore della sostenibilità dei sistemi agroalimentari

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Il sorgo, il mais, il grano, il miglio perlato sono cereali che rimandano spesso a scenari di agricoltura di sussistenza in Africa e altri continenti ancora in lotta per sfamare la loro popolazione. Non è così scontato quindi trovarsi di fronte a un drappello di genetisti, agronomi e biologi molecolari impegnati a studiare questi cereali con le tecniche più moderne della genomica, delle scienze dei materiali oltre a studi di scenario insieme ai loro colleghi africani.
E’ successo a Milano il 29 ottobre, a due giorni della chiusura di Expo 2015, dove davanti a una platea di ricercatori, associazioni ambientaliste e rappresentanti di organizzazioni non governative si è fatto il punto su quattro progetti sostenuti dalle Fondazioni Agropolis e Cariplo, giunti a circa metà del loro cammino.
Come ha sottolineato Claudia Sorlini, presidente del Comitato Scientifico per Expo 2015, nel suo intervento, “questi progetti rispondono pienamente ai nuovi Obiettivi del Millennio elaborati dalle Nazioni Unite (o Obiettivi di Sviluppo), mettendo la scienza al servizio dei bisogni più basilari dell’umanità e sostenendo la collaborazione con le comunità scientifiche locali”.
In un pianeta dove 800 milioni di persone non hanno accesso al cibo e circa 2 miliardi soffrono di malnutrizione. Identificare varietà più produttive e resilienti rispetto a condizioni ambientali sfavorevoli e più in generale alle conseguenze del cambiamento climatico, oltre che migliori sul piano nutrizionale, costituisce quindi una vera emergenza.
I miglioramenti si possono ottenere lungo tutta la filiera, a partire dalla produzione, fino alla trasformazione e poi preparazione dei cibi, ma la ricerca può offrire un importante contributo nel suggerire soluzioni a questa sfida.

Un cereale per dare energia al Pianeta

Il sorgo, per esempio, è alla base della dieta di oltre 100 milioni di persone, specialmente in Africa. Con il progetto Biosorg, ricercatori della Fondazione Parco Tecnologico Padano, del Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement (CIRAD) e dell’Institut d'Economie Rurale (IER) del Mali si sono cimentati prima di tutto nell’analisi della variabilità genetica delle piante di sorgo, in modo da individuare, tramite tecniche di associazione genica ad ampio spettro (genome wide association), le varietà che combinino diverse caratteristiche con un’elevata produttività. I ricercatori si sono concentrati sull’identificazione di varietà più nutrienti e contemporaneamente resistenti alla siccità, una condizione che caratterizza gli ecosistemi in cui il sorgo è coltivato nelle zone semi-aride dell’Africa occidentale. Un ulteriore obiettivo del progetto è quello di identificare varietà che combinino diverse destinazioni d’uso, oltre a quello alimentare, dalla produzione di mangimistica e biocarburante fino all’ingegnerizzazione di biomateriali per l’impiego nell’industria edilizia.
A tal fine è stata indagata la composizione e la resa in termini di biomassa in un’ampia collezione di varietà di sorgo e il relativo contenuto in zuccheri.
E’ noto che più alto è il contenuto di zucchero, meno resistenti al calore sono le fibre ricavate dalle piante e minore la relativa elasticità (quindi meno adatte queste fibre saranno per un impiego nello sviluppo di bio-materiali da costruzione). Viceversa, lo zucchero è importante per estrarre dalle piante il bioetanolo per scopi energetici. I ricercatori propongono quindi un approccio di bioraffineria, che contempli l’estrazione dello zucchero per la produzione di biogas e l’impiego delle fibre rimanenti per la produzione di biomateriali.  
Infine, una parte del progetto Biosorg riguarda la modellizzazione di scenari possibili in diversi contesti e lo studio delle implicazioni socio-economiche dell’introduzione di varietà di sorgo che combinino finalità energetici con la produzione di mangimi (caso di studio nel sud della Francia dove attualemente si concentra la produzione di sorgo nel paese) o che combinino finalità alimentari con la produzione di mangimistica (caso di studio in Mali). (video di presentazione del progetto)

Sostenibilità e accesso al cibo a tutti

Il mais è una delle colture di interesse agronomico più diffuse al mondo, soprattutto per scopi alimentari, inclusa la produzione di mangimistica per il comparto zootecnico. Il mais che conosciamo oggi è molto diverso dal capostipite addomesticato dai primi agricoltori in Messico circa settemila fa (il teosinte). Cruciale nel processo di domesticazione è il momento della fioritura e lo sforzo nei secoli si è concentrato proprio nel selezionare attraverso continui incroci varietà adattate a fiorire (e quindi produrre semi) a latitudini diverse da quelle tropicali del Messico meridionale.
Il progetto Florimaize ha proprio lo scopo di conoscere meglio le basi genetiche della variabilità nel periodo di fioritura del mais attraverso lo studio di un gene particolare, che è coinvolto nell’induzione della fioritura, ma svolge al contempo anche un ruolo nella regolazione dello sviluppo della pianta e alcune indicazioni sperimentali indicano anche nella resistenza alla siccità: il florigene (ZCN8).
Analisi di espressione genica hanno dimostrato che questo gene è molto sensibile alle condizioni ambientali: l’aumentare della temperatura comporta una accumulo della proteina prodotta a partire dal gene e verosimilmente questo induce una fioritura precoce, un effetto analogo è osservato in condizioni di siccità. Ecco quindi che per realizzare il sogno di ottenere la “pianta perfetta”, in grado di adattarsi al cambiamento climatico in corso, è necessario capire meglio gli intricati meccanismi e network molecolari in cui questo gene è coinvolto.
L’équipe di Lucio Conti, dell’Università di Milano, insieme a ricercatori dell’Institut National de la Recherete Agronomique (INRA) francese ha così allestito uno studio di “reverse engineering” che consiste nel valutare sperimentalmente il ruolo del gene nell’adattamento delle piante di mais e quindi associare le differenze fenotipiche osservate nelle diverse piante analizzate (in termini di tempo di fioritura, architettura della pianta…) con differenze a livello del genoma.
I ricercatori hanno a disposizione un’ampia collezione di piante che vengono coltivate in grandi serre dall’ambiente controllato.
In una seconda fase i ricercatori si sposteranno in campo, grazie alla collaborazione con i ricercatori del Kenya Agricultural Research Institute (KARI), in Kenya, dove le analisi saranno svolte impiegando varietà adattate alle latitudini locali. Le analisi condotte fino ad ora mostrano che l’espressione del gene è regolata in relazione allo sviluppo della pianta (più la pianta è vecchia maggiore è l’accumulo del gene), mentre la correlazione tra accumulo del prodotto del gene e induzione della fioritura richiede ulteriori approfondimenti, segno forse che la relazione fra genetica e comportamenti è più complessa di quanto si potesse immaginare all’inizio e che analisi del network molecolare in cui il gene agisce saranno indispensabili per una miglore comprensione dell’adattamento. (video di presentazione del progetto)

Microbi e piante, un matrimonio ben combinato

Anche il grano, cereale ben noto alle nostre latitudini, risente fortemente dei cambiamenti climatici in corso.
Il progetto Mic Ceres si è concentrato su un aspetto ancora poco studiato: le radici, che in realtà svolgono una funzione essenziale per mantenere la pianta in salute e resistente agli stress fisici e biologici che ne compromettono la crescita e le rese produttive. Le radici, infatti, vivono in un terreno tutt’altro che asettico: i microrganismi presenti nella rizosfera (la porzione di terreno in diretto contatto con le radici della pianta) costituiscono infatti un microbiota che interferisce positivamente o negativamente con lo sviluppo della pianta. La ricerca condotta da Marcella Bracale dell’Università dell’Insubria e da Lionel Moulin dell’Institut de Recherche pour le Développement (IRD), si prefigge di individuare in questo microbiota la combinazione di batteri e funghi simbionti con le radici della pianta di grano e in grado di proteggere la pianta stessa da stress di natura biotica o abiotica (protettori biologici) e favorirne la crescita (fertilizzanti biologici).
Dopo uno screening iniziale di questi microrganismi, i ricercatori stanno sperimentando  in alcune piante l’inoculazione di diverse combinazioni dei microrganismi risultati benefici e ne stanno anche studindo il percorso lungo la pianta stessa, grazie alla marcatura di questi microrganismi con proteine colorate che consentono di seguirne il tragitto entro i tessuti della radice e della pianta. Studi in campo condotti in Africa, grazie alla collaborazione con i ricercatori degli Istituti LCM-UCAD in Senegal e IRAD in Cameroon, consentiranno poi di valutare la crescita delle varietà trattate in questo modo. (video di presentazione del progetto)

Miglio perlato: qualità e miglior resa grazie alla ricerca

Il miglio perlato è uno dei cereali strategici per la sicurezza alimentare in paesi aridi o semiaridi (Africa subsahariana e India). Come fa osservare la ricercatrice Francesca Sparvoli, dell’Istituto di Biologia e Biotecnologia Agraria del CNR, si tratta di un cereale ben adattato a crescere su terreni poveri e aridi. Si stima che circa 90 milioni di persone che che vivono nell’Africa tropicale e in India dipendano da questa coltura, che assume quindi un’importanza oltre che alimentare anche sul piano socio-economico. Nonostante queste premesse, si tratta di “cereale orfano”, in particolare poche sono le ricerche volte al miglioramento della relativa coltivazione, così come gli interessi dell’industria e delle politiche alimentari. Eppure il cambiamento climatico in atto con le relative conseguenze, rende questa coltura una risorsa importante.
Va anche sottolineato che accanto all’adattabilità che caratterizza il miglio perlato, si riscontra uno scarso valore nutrizionale rispetto ad altri cereali.
Per questo il progetto New Pearl, condotto insieme ai colleghi francesi dell’Institut de Recherche pour le Développement (IRD) ha scelto di concentrarsi su questa coltura con l’oibiettivo per cercare di rendere questa pianta coltivata su un territorio di oltre 15 milioni di ettari, più ricca sul piano nutrizionale e ancora più resistente agli stress ambientali.
Anche in questo caso il progetto è partito dallo studio dell’estrema variabilità fenotipica e genetica del miglio, da cui poter selezionare varietà migliori. A questo fine sono stati analizzati in particolare due caratteri della pianta: da un lato l’architettura delle radici, dall’altro la composizione dei semi. Nel primo caso si è analizzata l’anatomia radicale, le interazione con il microbiota della rizosfera, ma anche l’organizzazione cellulare e la capacità delle radici di cedere carbonio al terreno.
Nei semi si è studiato il contenuto in micronutrienti come il ferro e lo zinco, nonché altre componenti anti-nutrizionali come l’acido fitico e alcuni flavoni, che servono alla pianta per la crescita e per la difesa dai patogeni, ma che nell’uomo possono provocare malattie quali il gozzo. “Nel perseguire l’obiettivo nutrizionale, è quindi importante selezionare quelle varietà in cui l’equilibrio tra le molecole di importanza nutrizionale e quelle bioattive utili per la pianta sia a vantaggio delle prime”,  spiega Francesca Sparvoli. “Non si tratta dunque di cancellare i secondi a vantaggio degli elementi nutritivi, ma di raggiungere un giusto equilibrio che salvaguardi la pianta e le caratteristiche nutrizionali”. Anche in questo caso l’interesse dei ricercatori è volto alla comprensione delle basi genetiche dell’accumulo di queste sostanze, al fine di identificare le varietà migliori sul piano nutrizionale e con un’architettura radicale che favorisca la crescita della pianta in terreni particolarmente aridi e poveri.
Anche il progetto New Pearl prevede, accanto al lavoro in laboratorio e in serra, prove in campi sperimentali in Senegal grazie alla collaborazione con i ricercatori dell’ICRISAT Sahelian Center in Niger e dell’ISRA-LAPSE di Dakar e Thiès in Senegal, soprattutto per studiare la tolleranza delle diverse varietà allo stress idrico. (video di presentazione del progetto)

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Filamenti cosmici e materia mancante

Istantanea di una tipica simulazione computerizzata dell’evoluzione dell’Universo in cui appare la misteriosa struttura spugnosa del Cosmo. Di questa immensa ragnatela tridimensionale è artefice la materia oscura (in viola nell’immagine) che, con la sua azione gravitazionale, plasma i lunghi filamenti, li collega tra loro con nodi e obbliga la materia ordinaria a concentrarsi nelle regioni con densità più elevata. Le galassie (in bianco) si trovano dunque nei punti più densi della struttura e sono maggiormente concentrate nei nodi, dove si raggruppano in ammassi e superammassi. Interessante osservare come gran parte del “volume” dell’Universo sia occupato dalle immense regioni desolatamente vuote che si estendono tra i filamenti. - Visualizzazione: Frank Summers, Space Telescope Science Institute.

Tra i molti problemi che astronomi e cosmologi si trovano a dover districare vi è anche quello della materia mancante. Le attuali teorie e i dati provenienti dallo studio della radiazione cosmica di fondo, il cosiddetto eco fossile del Big Bang, hanno suggerito quale potrebbe essere la composizione del Cosmo.