Grano, nutrimento mondo. Selezione genetica per le messi del futuro

Frumento_ Foto di István Asztalos

L’Italia è il primo produttore mondiale del frumento duro utilizzato dalla nostra industria alimentare, ma circa la metà proviene dall’estero. Per capirci, il frumento duro è quel tipo di grano che serve per produrre il piatto nazionale, la pasta.

L’agricoltura dunque è un terreno (in senso lato) che merita un’attenzione e una cura particolare affinché sia fonte imperitura e sostenibile di “coultura” e di sostanziale leva economica.

A questo proposito ci sembra quanto mai rilevante la ricerca scientifica che un’équipe internazionale coordinata da un ricercatore italiano sta svolgendo sul sequenziamento del genoma del frumento duro e successivo assemblaggio del genoma stesso che verrà studiato per identificare i geni (stimati in circa 80.000) e i marcatori ad essi associati.

La differenza tra frumento duro e frumento tenero risiede proprio nel loro diverso patrimonio genetico.

Dna, genoma, geni: il segreto della vita

DNA
Quante volte sentiamo nominare il Dna? Specialmente gli amanti del crime drama, almeno una volta al giorno.  Ebbene il DNA è quell’acido dal nome impronunciabile – desossiribonucleico –  in cui vengono depositate tutte le informazioni genetiche. Un composto chimico, per l’esattezza un acido nucleico, composto di zucchero, acido fosforico e basi azotate, sostanza essenziale per ogni forma di vita.  Proprio nel modo in cui si susseguono le basi azotate, si costituisce l’informazione genetica.

Il primo scienziato ad individuare la sua esistenza fu nel 1869 il DNA fu Friedrich Miescher fino ad arrivare nel 1953,  quando il biologo James Watson e il fisico Francis Crick ne individuarono la struttura a doppia elica. Fu proprio la moglie di Crick, la pittrice Odile Speed che ne eseguì la rappresentazione grafica.

CROMOSOMI
I cromosomi (corpi colorati, dal greco chroma, colore, e soma, corpo) rappresentano la forma in cui si presenta il DNA all’interno della cellula. Ogni cromosoma è costituito da un lungo filamento di DNA organizzato in una complessa struttura tridimensionale. Data l’eccessiva lunghezza del DNA, la cellula per poterlo contenere, lo arrotola intorno alla struttura proteica e il risultato è proprio il cromosoma.

GENOMA
Il genoma è l’insieme di tutte le informazioni genetiche depositate nella sequenza del DNA contenute nel nucleo della cellula, sotto forma di cromosomi.

GENE
Il gene è l’unità minima del DNA e contiene le informazioni per la costituzione delle proteine. Rappresenta l’unità ereditaria fondamentale di tutti gli organismi viventi: piante, animali e uomini.

SEQUENZIAMENTO DEL GENOMA DEL FRUMENTO DURO

Ne abbiamo parlato con il Prof. Luigi Cattivelli del CREA (Consiglio per la ricerca in agricoltura e l’analisi dell’economia agraria), coordinatore del progetto internazionale. La sua narrazione relativa ai fattori principali del lavoro di ricerca, ci permette di immergerci (idealmente) non soltanto all’interno del processo scientifico, ma anche della stessa comunità scientifica che parla un unico linguaggio, quello della scienza che combina sapere e produttività, nel rispetto dell’ambiente e degli organismi viventi. La selezione genetica rivolta a migliorare la produttività del terreno e delle culture non entra in contrasto in alcun modo con i confini dettati dalla bioetica.

Genoma del frumento duro: incrocio naturale di cromosomi
Il genoma del frumento duro è estremamente grande (12 miliardi di basi circa), caratterizzato dalla presenza di sequenze ripetute in misura pari a circa l’80% dell’intero genoma e dall’essere tetraploide (cioè il genoma del frumento duro deriva dalla fusione di due genomi simili tra loro).

In questo mare di sequenze ci sono circa 80.000 geni. Tutti i progetti di sequenziamento si basano sulla produzione di tratti di sequenza più o meno lunghi (da 100 a 10.000 basi) generati casualmente a partire dalla frammentazione del genoma. ‘ A questo punto, concorre il supporto della tecnologia digitale in quanto grazie all’uso di programmi informatici è possibile procedere all’assemblaggio, ossia all’ordinamento dei vari frammenti per ottenere tratti di sequenza molto più lunghi, idealmente una sequenza per ogni cromosoma.

L’assemblaggio è basato sulla presenza di tratti sovrapponibili tra i vari frammenti di sequenza casuale, ovviamente più lunghi sono i tratti di sequenza che vengono assemblati più elevata è la qualità del risultato.

ILLUMINA: l’informatica a servizio della genetica

A settembre 2015 alcune istituzioni italiane (Crea, CNR, Università di Bologna) ed estere (Università di Saskatoon in Canada, Università di Tel Aviv in Israele, Università del Montana in USA) hanno deciso di eseguire il sequenziamento, basato sulla tecnologia Illumina abbinata ad un software di assemblaggio di ultimissima generazione denominato DeNovo Magic della ditta Israeliana NRGene.

Il sequenziamento Illumina è economico, ma produce un numero infinito di piccoli tratti di sequenza (100-150 basi) presi a caso sul genoma.

L’allineamento corretto di tutti i frammenti di sequenza (alcuni miliardi) che si ottengono attraverso il sequenziamento Illumina fino alla ricostruzione del genoma,  è ostacolato dalla presenza di sequenze ripetute e rappresenta oggi il maggior fattore limitante per assemblaggio di grandi genomi come quello del frumento.

La combinazione Illumina + NRGene rappresenta oggi il massimo livello qualitativo disponibile, fornendo ricostruzioni dei genomi migliori di almeno due ordini di grandezza rispetto alle tecnologie precedenti.

Una ricerca in itinere: un gene, un nome
Il sequenziamento e l’assemblaggio del genoma del frumento duro è stato completato ed il risultato è stato validato attraverso una nuova tecnica in grado di la configurazione tridimensionale del DNA nei nuclei di una cellula, tecnologia fornita al progetto da un istituto tedesco (IPK-Gatersleben). Terminata questa fase nei prossimi mesi si procederà alla annotazione dei geni (l’attribuzione di un nome a ciascun gene) che dovrebbe terminare entro fine anno.

Selezione genetica per migliore la produttività sostenibile
La conoscenza del genoma è importante perché consente di operare nel modo più adeguato la selezione genetica così da identificare geni più rispondenti alle necessità della moderna agricoltura, quali la resistenza a malattie, stress abiotici, qualità ecc.  Il sequenziamento del genoma non è di per sé la soluzione a tutti i problemi ma è uno straordinario strumento che serve per rendere più efficiente la selezione delle nuove varietà.

I grandi cambiamenti climatici a cui è esposta l’Italia e la regione mediterranea costituiscono una sfida per la cerealicoltura e la disponibilità della sequenza del genoma del frumento duro rappresenta uno strumento essenziale per selezionare nuove varietà più produttive e resistenti agli stress, la cui coltivazione risulti economicamente conveniente anche nelle condizioni prospettate dai nuovi scenari climatici

Il ricambio varietale è fondamentale per il progresso dell’agricoltura, le nuove varietà incorporano nuove resistenza a malattie, migliorata capacità produttiva nuovi o migliori tratti qualitativi ecc. Si apre così un varco per lo sviluppo di una cerealicoltura più redditizia ed ecosostenibile.

Il sequenziamento del genoma del DNA dunque permette di individuare  i geni e i marcatori ad essi associati, facendo sì che si possa analizzare un “pezzetto” di ogni seme per individuare quelli con le caratteristiche più idonee per una migliore produttiva, senza  che si aspetti la crescita delle piante, frutto di incroci, per operare la selezione di quelle migliori.

Testimonianze dei ricercatori

“Il frumento duro è un’importante fonte di proteine, amidi e fibre. Con la sequenza del genoma a nostra disposizione sarà più facile migliorarne le caratteristiche qualitative e soddisfare le esigenze dell’industria e dei consumatori” dichiara Aldo Ceriotti, coordinatore del contributo del CNR (Consiglio Nazionale delle Ricerche).

Roberto Tuberosa, coordinatore delle ricerche condotte presso l’Università di Bologna, osserva che “le ricadute applicative di questo progetto aumenteranno la competitività della filiera della pasta e consentiranno di offrire al consumatore alimenti più salubri ed in grado di prevenire varie malattie croniche. La disponibilità della sequenza consentirà inoltre di capire meglio l’evoluzione e l’origine del frumento da pasta e offrirà opportunità uniche per valorizzare al meglio la biodiversità genetica dei frumenti antichi.”

CONOSORZIO INTERNAZIONALE
Il progetto di ricerca per il sequenziamento del genoma del frumento duro,  la raccolta e l’assemblaggio dei dati di sequenza è stato coordinato da Luigi Cattivelli del CREA (Consiglio per la ricerca in agricoltura e l’analisi dell’economia agraria), con la partecipazione di Aldo Ceriotti, Luciano Milanesi, Alessandra Stella e Gabriella Sonnante del CNR (Consiglio Nazionale delle Ricerche), Marco Maccaferri, Silvio Salvi e Roberto Tuberosa dell’Università di Bologna, Nicola Pecchioni del CREA ed altri ricercatori da tutto il mondo, tra cui Curtis Pozniak dell’Università di Saskatchewan (Canada), Assaf Distelfeld dell’Università di Tel Aviv (Israele), Nils Stein e Martin Mascher dell’IPK Gatersleben, (Germania) e Hikmet Budak dell’Università del Montana (USA).

Oltre alle istituzioni scientifiche, il lavoro ha coinvolto Genomicx4Life, una spin off dell’Università di Salerno che ha prodotto le sequenze grezze, e NRGene, una azienda israeliana leader a livello mondiale nell’assemblaggio delle sequenze dei genomi.

Da parte italiana il progetto è stato finanziato dal CNR attraverso il Progetto Bandiera MIUR InterOmics, dal CREA e dall’Università di Bologna.