L’ International Wheat Genome Sequencing Consortium (IWGSC) ha appena pubblicato sulla rivista internazionale Science una descrizione dettagliata del genoma del frumento tenero, il cereale più coltivato al mondo. Questo lavoro consentirà la produzione di varietà più adatte ai cambiamenti climatici e più sostenibili, con rese più elevate e una migliore qualità nutrizionale.
L'articolo scientifico, realizzato da oltre 200 scienziati, appartenenti a 73 istituti di ricerca in 20 Paesi, tra cui per l'Italia il Crea, descrive il genoma della varietà di riferimento per il frumento tenero, Chinese Spring. La sequenza genomica del Dna dei 21 cromosomi del frumento tenero, risultato di una ricerca internazionale durata 13 anni, è di altissima qualità, la più alta mai ottenuta fino a oggi per questa specie.
Una spinta per il miglioramento genetico
La sequenza del genoma di riferimento ora completata fornisce ai breeder nuovi e potenti strumenti per affrontare le sfide che attendono l'agricoltura nei prossimi decenni. Essi, infatti, saranno in grado di identificare più rapidamente i geni e gli elementi regolatori responsabili dei caratteri agronomici complessi come la resa, la qualità dei cereali, la resistenza alle malattie fungine e la tolleranza agli stress abiotici e così produrre varietà più competitive e resistenti.
«La sequenza del genoma del frumento tenero ci permette di guardare all’interno del suo motore - dichiara il professore all'Università di Melbourne e AgriBio Research Fellow Rudi Appels - quello che vediamo è meravigliosamente assemblato per consentire da una parte la variazione e l'adattamento ai diversi ambienti attraverso la selezione, e dall’altra una sufficiente stabilità per mantenere le strutture di base per la sopravvivenza in svariate condizioni climatiche».
La disponibilità della sequenza genomica di riferimento di alta qualità darà un grande impulso al miglioramento del frumento nei prossimi decenni, con benefici simili a quelli già osservati per mais e riso dopo che le rispettive sequenze di riferimento sono state prodotte.
«Come si ringrazia un team di scienziati che, perseverando, sono riusciti a sequenziare il genoma del grano tenero e hanno così cambiato il breeding di questa importantissima coltura per sempre? - si chiede Stephen Baenziger, presidente della University of Nebraska-Lincoln Professor e Nebraska Wheat Growers - forse non è con le parole di uno scienziato, ma con il sorriso dei bambini ben nutriti e delle loro famiglie le cui vite sono cambiate in meglio».
L'impossibile diventa possibile
Il sequenziamento del genoma del frumento tenero è stato a lungo considerato un obiettivo impossibile, a causa delle sue enormi dimensioni - cinque volte più grandi del genoma umano - e della sua complessità - il frumento tenero è costituito infatti da tre sub-genomi e più dell'85% dell’intero genoma è composto da elementi ripetuti.
«La pubblicazione del genoma di riferimento del grano tenero rappresenta il culmine del lavoro di molte persone che si sono riunite sotto la bandiera dell'Iwgsc per fare quello che era considerato impossibile - ha spiegato Kellye Eversole, direttore esecutivo dell'Iwgsc - la metodologia per produrre la sequenza di riferimento, i principi e le politiche del consorzio rappresentano un modello per il sequenziamento di genomi grandi e complessi di altre piante e riafferma l'importanza delle collaborazioni internazionali per ottenere una maggiore sicurezza alimentare».
Un lavoro di ricerca internazionale
La sequenza di riferimento del grano ha già avuto un significativo impatto nella comunità scientifica, come dimostrato dalla pubblicazione nella stessa data di cinque lavori aggiuntivi che descrivono e utilizzano la sequenza di riferimento: una presente nello stesso numero di Science, una in Science Advancese tre in Genome Biology. Inoltre, più di 100 pubblicazioni che fanno riferimento alla sequenza realizzata sono già state pubblicate da quando tale risorsa è stata messa a disposizione della comunità scientifica a gennaio del 2017. Oltre alla sequenza genomica dei 21 cromosomi, l'articolo di Science presenta anche la posizione precisa di 107.891 geni e di oltre 4 milioni di marcatori molecolari, oltre a informazioni di sequenza, presente tra geni e marcatori, contenenti gli elementi regolatori che influenzano l'espressione dei geni stessi.
L'Iwgsc ha potuto raggiungere questo risultato combinando le risorse generate negli ultimi 13 anni utilizzando i classici metodi di mappatura fisica e le più recenti tecnologie di sequenziamento del Dna; i dati della sequenza sono stati assemblati e ordinati lungo i 21 cromosomi utilizzando algoritmi altamente efficienti, e i geni sono stati identificati con software dedicati. Tutte le risorse della sequenza di riferimento sono pubblicamente disponibili presso l'archivio dati dell’Iwgsc, Urgi-Inra di Versailles, e in altri database scientifici internazionali come Grain Genese Ensembl Plant.
Il contributo del Crea
Il Crea ha contribuito all’annotazione manuale del genoma del frumento (cioè il riconoscimento dei singoli geni all’interno delle 15 miliardi di basi dell’intero genoma) attraverso la propria esperienza nello studio della resistenza delle piante al freddo, riconosciuta a livello internazionale. Alcune specie, e tra queste il grano tenero, possono sopravvivere fino a -20° C, nel caso di alcune varietà di frumento. Questa caratteristica dipende da una particolare famiglia di geni denominati Cbf che conferiscono alla pianta la capacità di vivere a temperature di molti gradi sotto lo zero, con un enorme impatto sulla sua possibilità di essere coltivata nelle zone del pianeta con clima temperato. Il gruppo di ricerca del Crea, coordinato da Luigi Cattivelli, direttore del Crea Genomica e Bioinformatica, ha capitalizzato l’esperienza accumulata in due decenni di lavoro su questo argomento e ha identificato i geni Cbf nel nuovo genoma, un risultato che consentirà una miglior comprensione dei meccanismi di adattamento ai cambiamenti climatici.
Grano tenero, una coltura fondamentale
Il grano tenero è una coltura chiave per la sicurezza alimentare; costituisce l'alimento base di oltre un terzo della popolazione umana mondiale e rappresenta quasi il 20% del totale delle calorie e delle proteine consumate in tutto il mondo, più di ogni altra fonte di cibo. Inoltre, costituisce anche una fonte importante di vitamine e minerali.
Per soddisfare le esigenze future di una popolazione mondiale, che si prevede possa raggiungere i 9,6 miliardi entro il 2050, è necessario aumentare ogni anno la produttività di questa coltura dell'1,6%. Al tempo stesso, però, per preservare la biodiversità, l'acqua e le risorse nutritive, questo aumento deve essere prevalentemente conseguito attraverso il miglioramento delle colture e dei caratteri fenotipici sugli stessi terreni attualmente coltivati, piuttosto che adibirne di nuovi alla coltivazione.
I vantaggi per produttori e consumatori italiani
In Italia il grano tenero è una coltura con profonde radici storiche. A cominciare dal lavoro di Nazareno Strampelli, il miglioramento genetico del frumento tenero è stato per molti decenni una priorità per la ricerca e l’industria sementiera italiana. Negli ultimi anni, tuttavia, abbiamo assistito a una forte perdita di competitività e nel 2018, stando agli ultimi dati, la produzione nazionale ed europea ha subito una forte riduzione a causa del clima sfavorevole, conseguenza dei cambiamenti climatici globali.
«Le nuove conoscenze sul genoma del frumento tenero ed il fatto che il Crea sia parte di questa iniziativa – afferma il coordinatore dello studio Luigi Cattivelli – possono fornire l’occasione per rivitalizzare il comparto tramite collaborazioni pubblico-private che consentano di trasferire le più avanzate conoscenze genomiche in nuove varietà resistenti alle malattie e più efficienti nell’uso delle risorse e più produttive. Un’azione indispensabile per un’agricoltura nazionale sostenibile capace di produrre alimenti di qualità».
Tanto per avere un’idea della situazione della coltura che fornisce il prodotto base per il pane, la pizza e l’industria dolciaria, la produzione nazionale di frumento tenero, che nei primi anni 70 era di circa 7 milioni di tonnellate, è oggi dimezzata con una produzione compresa tra 3,0 e 3,5 milioni di tonnellate, un quantitativo che copre meno del 50% del fabbisogno nazionale.
