Frumento duro: un solo genoma, infinite possibilità

Più produzione e più qualità: gli obiettivi del miglioramento genetico moderno alla ricerca della pianta "perfetta". Che però ora deve fare i conti con gli effetti di un genoma impoverito e con le nuove sfide del cambiamento climatico. La storia infinita di un Dna

Frumento duro: un solo genoma, infinite possibilità - Plantgest news sulle varietà di piante

Per migliaia di anni l'uomo ha tentato di ottenere varietà di frumento più performanti a livello produttivo (Foto di archivio)

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Che sia corta, lunga, a spirale, mal tagliata, tonda, liscia, rigata, piatta o tridimensionale la pasta è un alimento che non può mai mancare sulle nostre tavole. Il frumento duro, da cui deriva, ha accompagnato l'uomo fin dalla notte dei tempi.

Ma esattamente come siamo arrivati alla coltura che oggi noi tutti conosciamo e che ci permette di portare in tavola il fiore all'occhiello del made in Italy?

 

Con la farina derivante dal frumento duro si possono ottenere diversi formati di pasta

Con la farina derivante dal frumento duro si possono ottenere diversi formati di pasta (Foto di archivio)

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I cereali sono tra le piante più coltivate al mondo per diversi scopi: consumo umano, consumo animale e produzione industriale. La loro coltivazione è frutto di una lunghissima domesticazione, cioè una selezione operata dall'uomo su particolari specie vegetali selvatiche (chiamate anche "landraces") ritenute più utili e adattabili rispetto a tutte le altre piante selvatiche presenti sullo stesso territorio.

 

Un esempio virtuoso di domesticazione è proprio quello del frumento duro, iniziata 10mila anni fa da un farro selvatico, che ha accompagnato lo sviluppo di importanti civiltà.

Per migliaia di anni l'uomo ha tentato di ottenere varietà più performanti selezionando i semi che gli sembravano migliori e piante con rachide meno fragile. Facendo un bel salto temporale è stato tuttavia l'intenso lavoro di miglioramento genetico svolto nel ventesimo secolo che ha portato ad enormi vantaggi sia produttivi sia economici - ma anche ad alcune problematiche legate alla sua biodiversità genetica.

 

Il frumento duro: qualche nozione

Nei cereali il seme viene chiamato cariosside, o più comunemente granella o chicco. Nel frumento duro (Triticum turgidum subsp.durum) la cariosside possiede un contenuto in proteine, cellulosa e ceneri che la rendono ideale per essere trasformata in pasta. Il frumento tenero (Triticum turgidium subsp. aestivum) invece si presta meglio alla produzione di farine e sottoprodotti come la crusca.

 

Tanti geni, infinite possibilità di evoluzione

Il corredo cromosomico dell'uomo viene definito diploide perché ogni cromosoma è presente in due copie (2n). Invece il frumento duro ha un corredo cromosomico 4 volte superiore a quello umano perché ogni cromosoma è presente in 4 copie (4n): viene perciò chiamato tetraploide. Questo fenomeno, in generale, viene chiamato poliploidia.

 

Molto frequente in piante, pesci e anfibi, è rara nei mammiferi (nell'uomo è addirittura una mutazione deleteria). Tuttavia, è un vantaggio per le piante perché può essere fonte di nuovi caratteri e nuove funzioni per adattarsi all'ambiente circostante. Questo perché avere più copie permette a uno stesso gene di prendere strade evolutive "alternative", creando così una nuova proteina e quindi un nuovo carattere, mantenendo però allo stesso tempo, sparsi nel Dna, le copie non mutate responsabili dei caratteri essenziali per la sopravvivenza della pianta stessa.

 

La poliploidia perciò influenza il fenotipo, cioè modifica sia la morfologia che la fisiologia della pianta: in parole povere l'aspetto esteriore della pianta e le sue caratteristiche. E questo cambiamento può potenzialmente migliorare sia la produttività agricola che la resistenza agli stress ambientali.

 

Ricerche e studi esteri hanno reso noto come il raddoppio del corredo genetico porti a resistenze importanti verso gli stress. Un esempio una ricerca svolta sul genere Citrus: gli agrumi sono tra le specie 2n e la loro produzione è molto influenzata da fattori di stress come siccità, salinità e alte temperature. Innestando nesti diploidi con portainnesti tetraploidi (4n) si sono notate delle differenze fenotipiche (spessore della foglia, il numero e la densità di stomi) che hanno portato alla resistenza agli stress sopra citati.

 

Vediamo assieme come la poliploidia ha aiutato il miglioramento genetico moderno a raggiungere i 6 principali obiettivi che hanno reso il frumento duro la pianta che coltiviamo al giorno d'oggi. Tutti i caratteri su cui si è lavorato per tutto il ventesimo secolo sono caratteri quantitativi o Quantitative Trait Loci, controllati da un ampio numero di geni, altamente variabili nella popolazione, dipendenti dall'ambiente esterno e molti sono utili a livello agronomico.

Inoltre, il lavoro svolto su questa specie ha portato a un alto guadagno genetico, cioè le mutazioni indotte sulla pianta sono state responsabili di una o più nuove funzioni agronomicamente utili.

 

Gli obiettivi del miglioramento genetico moderno

Riduzione dell'altezza delle piante

L'obiettivo era quello di diminuire il problema dell'allettamento, cioè il ripiegamento a terra delle piante dovuto ad eventi climatici come vento o pioggia, fenomeno che rende difficile la raccolta e che comporta diversi problemi fitosanitari.  

Nel frumento duro questo carattere si ottenne gradualmente nell'arco di decenni, perché non c'era abbastanza variabilità genetica su cui poter lavorare. Al contrario nel suo parente, il frumento tenero, si ottenne la bassa taglia molto più velocemente grazie all'incrocio con grani giapponesi portatori del gene Rht8, uno dei geni responsabili del nanismo.

 

Il culmo passò da un'altezza di 125 - 132 centimetri nelle popolazioni locali ad un'altezza di 83- 89 centimetri nelle popolazioni selezionate dall'uomo senza però una concreta resistenza all'allettamento. È negli anni '50 che si incominciarono a vedere i primi risultati per la resistenza, con la varietà Capeiti 8 (91 centimetri).

 

Da questa varietà si ottenne poi tramite incrocio la varietà Capulo che venne iscritta al Registro varietale perché presentava entrambi i caratteri desiderati: taglia ridotta (85 centimetri) e resistenza all'allettamento stabile.

 

La ricerca continuò negli anni '70 grazie alla scoperta ulteriore dei geni Rht1 e Rht2 responsabili anche loro del fenotipo nanizzante, arrivando ad ottenere negli anni '80 -'90 un grano alto 70 centimetri e nei primi anni del 2000 un grano alto 60 centimetri.

 

Ma perché quindi non troviamo un frumento duro più basso di 60 centimetri? Ridurre la taglia ha sicuramente i suoi vantaggi ma bisogna procedere con cautela: studi più recenti (2003) hanno evidenziato la relazione tra la taglia della pianta e la sua resa, infatti se da un lato si ha il vantaggio di aumentare l'espressione produttiva dall'altro si diminuisce il potenziale produttivo.  

 

Ecco perché, in base alla varietà, la taglia "sicura" va dai 60 ai 90 centimetri.

 

Precocità del ciclo colturale

Il ciclo biologico del frumento è costituito da cinque fasi fenologiche che sono germinazione, accestimento, levata, spigatura/ fioritura e maturazione.

L'obiettivo era quello di anticipare la fase di spigatura, cioè la fase in cui l'infiorescenza esce dalla guaina dell'ultima foglia e pochi giorni dopo va in fioritura, per poter portare la produzione in zone più siccitose tipiche del Sud Italia.

 

Dopo diversi lavori la prima sostanziale precocità del ciclo colturale si ebbe introducendo nei programmi di miglioramento la varietà Capeiti 8, con un anticipo di 24 giorni partendo dal 1° aprile come data di riferimento.

 

La necessità di adattare le piante ad un clima siccitoso portò però ad anticipare ancora di più il ciclo colturale, arrivando ad ottenere piante con un'infiorescenza già formata in poco meno di una settimana.

 

Anticipare questa fase fenologica ha influenzato la qualità complessiva della granella perché è aumentato il "grain filling period" o "periodo di riempimento dei semi", compreso fra la spigatura e la maturazione della coltura, e che consiste nello spostamento dei fotosintetati (zuccheri e acqua) nella cariosside.

In poche parole, la pianta madre ha più tempo per poter accumulare le sostanze di riserva all'interno dei semi prima della fine del suo ciclo.

 

Delle cinque fasi fenologiche la fioritura e la maturazione delle cariossidi sono quelle più sensibili alla carenza di acqua. Anticipare il ciclo colturale ha quindi permesso di migliorare la ripartizione dell'acqua di irrigazione, durante la maturazione delle cariossidi, e diminuire lo stress idrico della coltura durante la fioritura.

 

Di contro però, anticipare così tanto il ciclo colturale sembrerebbe avere degli effetti negativi sulla resa complessiva diminuendola di conseguenza.

 

Resa unitaria della granella e le sue componenti

Uno dei principali risultati ottenuti sulle varietà di frumento duro coltivate nel ventesimo secolo è stato quello dell'aumento della resa unitaria, cioè quanto prodotto viene raccolto a parità di superficie coltivata, espressa in tonnellate su ettari: si è registrato un aumento del 44% utilizzando solamente l'opzione del miglioramento genetico.

 

Confrontando le vecchie varietà con quelle moderne, di bassa taglia e più precoci, si è registrato un guadagno totale pari a 20 chilogrammi/ettaro/anno: più cariossidi presenti in un metro quadro, più produzione.

 

Questo carattere viene espresso grazie a due fattori:

 

  1. l'aumento della fertilità della spiga dovuto in parte all'effetto pleiotropico dei geni coinvolti. La pleiotropia consiste in un singolo gene che determina effetti fenotipici diversi, ad esempio un singolo gene può controllare la produzione di un ormone che a sua volta gestisce diverse fasi di crescita della pianta;
  2. l'aumento del numero di spighe fertili per pianta dovuto molto probabilmente alla diminuzione della taglia che diminuisce il pericolo di allettamento.

 

Indice di raccolto 

Visti i successi ottenuti con l'aumento della resa nelle varietà moderne, iniziarono programmi di miglioramento anche per il carattere dell'indice di raccolta, che esprime il rapporto tra il peso della biomassa totale prodotta e la resa commerciale di una pianta coltivata. 

 

Le diverse prove registrarono un aumento medio di questo carattere, dal 21% al 39%, nei genotipi moderni come la varietà Ofanto.

 

Dagli studi emerge che questo carattere fu influenzato anche dalla riduzione della taglia e dalla fertilità della spiga.

 

Qualità della granella 

Nella cariosside, uno dei parametri principali è il contenuto in proteine, più nello specifico di prolammine: sono un gruppo di proteine di riserva e le principali costituenti del glutine.

Delle prolammine fanno parte le gliadine e le gluteine che costituiscono l'80% delle proteine presenti in una cariosside; modificare il loro contenuto significa modificare la qualità del glutine e quindi la qualità della pasta.

 

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Il contenuto in gliadina e glutenina determina la qualità del glutine (Foto di archivio)

Fonte foto: © Daniela Dirani - Adobe Stock

 

In generale i ricercatori sono d'accordo che la forte spinta al miglioramento delle cultivar moderne abbia portato ad una diminuzione della qualità delle cariossidi, incidendo perciò negativamente sulla qualità di panificazione. Ancora oggi la ricerca e gli studi continuano per poter migliorare questo aspetto pur mantenendo i caratteri positivi citati nei paragrafi precedenti.

 

Ci fu anche, prima del 2000, un largo interesse a "manipolare" i pigmenti della cariosside per migliorare la colorazione della pasta (Usa, Canada, Francia).

All'estero si ottennero buoni risultati mentre in Italia non venne dato molto peso a questo carattere e difatti non si registrò nelle selezioni nessuna differenza rilevante di colore fra le vecchie e le nuove cultivar.

 

Toccare i geni sì, ma senza paura! 

Il frumento duro che conosciamo oggi è stato ottenuto applicando tecniche di incrocio convenzionali, che vengono tradizionalmente utilizzate dalle ditte sementiere e dagli agricoltori.

 

Difatti il più ampio termine di miglioramento genetico abbraccia diverse metodologie che possono essere riassunte in tre gruppi:

  • tecniche di incrocio convenzionali;
  • tecniche di modifica genetica;
  • nuove tecniche di incrocio (la più famosa è quella che utilizza la Crispr-Cas).

 

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Il miglioramento genetico comprende diverse metodologie (Foto di archivio)

Fonte foto: © andriano_cz - Adobe Stock

 

Le tecniche di incrocio convenzionali comprendono incroci interspecifici (tra specie diverse) e intraspecifici (all'interno della stessa specie), vigore dell'ibrido, ibridazione somatica, incrocio multiplo, induzione della poliploidia e mutagenesi fisica e chimica.

In termini pratici i breeder sfruttano le mutazioni del tutto casuali che spuntano all'interno del Dna: se una di queste è favorevole in termini agronomici la piantina viene selezionata e integrata nella sperimentazione in pieno campo.

 

Tante sono state, nel secolo scorso, le varietà di grano duro ottenute in questa maniera e iscritte al Registro Varietale. Una delle più famose è sicuramente la varietà Creso, un frumento mutante della varietà Cappelli, che superò il genitore come performance produttiva determinando una rivoluzione nel settore cerealicolo italiano.

 

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Ma quindi le piante ottenute in questo modo sono degli Ogm? In termini biologici sì, perché effettivamente hanno subito mutazioni e quindi sono organismi modificati - ma d'altra parte in natura non esistono organismi non modificati in un modo o nell'altro. A livello normativo no, in quanto le tecniche di incrocio convenzionali sono oramai conosciute ed applicate da moltissimo tempo, e ritenute perciò non pericolose.

 

Geni alla deriva: il frumento come una groviera

Una grande problematica della genetica moderna è quella del fenomeno della deriva genetica delle popolazioni, detta anche "collo di bottiglia": quando in una popolazione il numero di individui diminuisce drasticamente, a causa di eventi diversi dalla "normale" selezione naturale, la variabilità genetica di quella popolazione diminuisce di conseguenza.

 

Nel caso del frumento il collo di bottiglia è stato causato proprio dall'intervento dell'uomo: nel tentativo di ottenere la pianta "perfetta" ha ridotto di troppo la variabilità genetica della specie.

Questa perdita di variabilità genetica si traduce in piante meno adattabili se le condizioni ambientali mutano velocemente, come stiamo vedendo negli ultimi anni, e se subentrano nuovi patogeni, rispetto ai loro parenti selvatici.

 

Il lavoro di sequenziamento del suo genoma di frumento duro, pubblicato su Nature genetics, ha infatti "rivelato i cambiamenti imposti da migliaia di anni di selezione e allevamento empirico", portando a una perdita di diversità all'interno dei cromosomi.

In sintesi, il Dna del frumento duro possiede dei veri e propri buchi, causati dalla pressione selettiva svolta dall'uomo: una vera e propria "groviera cromosomica".

 

Le nuove frontiere

La soluzione al collo di bottiglia è uno degli obiettivi su cui dovrà concentrarsi il miglioramento genetico futuro con un doppio obiettivo: l'aumento delle resistenze ai nuovi patogeni e alle conseguenze del cambiamento climatico. La strada da percorrere è l'introduzione di nuova variabilità genetica tramite il recupero di varietà antiche.

Ma come? Negli ultimi anni gli studiosi stanno raccogliendo e conservando il materiale vegetale in vere e proprie collezioni di germoplasma, che può essere quindi introdotto nei programmi di breeding.

 

Un altro aspetto su cui si sta lavorando è l'accumulo di cadmio nelle cariossidi, una problematica cardine in quanto l'esposizione umana a questo metallo pesante avviene principalmente tramite l'alimentazione.

L'accumulo di cadmio nel suolo avviene per l'utilizzo, durante le pratiche agricole, di fanghi contenenti metalli pesanti e concimi fosforici o per inquinamento atmosferico: il cadmio viene cosi assorbito dalle piante e accumulato negli organi vegetali, quindi anche nei semi. 

 

Insomma, il lavoro sul frumento non è ancora terminato, e forse non lo sarà mai. Ma non c'è da sorprendersene vista l'importanza fondamentale di questa coltura per l'umanità.

 

Bibliografia

Pasquale De Vita, Loredana Matteu, Anna Maria Mastrangelo, Natale Di Fonzo, Luigi Cattivelli, "Effetti del miglioramento genetico sul frumento duro prodotto in Italia nel XX secolo", Ital. J. Agron. / Riv. Agron., 2007, 4:451-461

 

Autore: Chiara Gallo

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