Nuovi metodi di riproduzione per le piante

Il raccolto di grano nel cantone di Zurigo è stato scarso quest'anno - le perdite del raccolto variavano dal 20 al 40% [1]. Ciò è dovuto ai mesi umidi di maggio e giugno, che hanno favorito la crescita dei funghi. L'uso di pesticidi chimici è possibile solo in misura limitata. Per coprire il proprio fabbisogno, quest'anno la Svizzera dovrà probabilmente acquistare più grano da altri Paesi rispetto agli anni precedenti.

Questo esempio mostra su piccola scala le sfide che l'agricoltura globale deve affrontare: La crescita della popolazione, l'aumento della domanda di cibo, la limitatezza delle terre coltivabili e i cambiamenti climatici. Circa il 90% della produzione mondiale di alimenti e mangimi è coperto dalla coltivazione di sole dieci colture. I cereali come il riso, il grano e il mais sono in cima alla lista. Se si verificano infestazioni di parassiti o siccità impreviste nella coltivazione delle nostre colture, la conseguenza potrebbe essere la carestia.

Necessità di varietà resistenti

Per garantire l'approvvigionamento alimentare mondiale in futuro, sono necessarie nuove varietà di piante che garantiscano rese elevate anche in condizioni climatiche mutevoli e richiedano meno pesticidi. Un'importante alternativa alla protezione chimica delle colture consiste nell'aumentare la resistenza delle piante a parassiti e malattie. A tal fine, i selezionatori utilizzano una vasta gamma di meccanismi di difesa e resistenza che le piante hanno sviluppato nel corso di milioni di anni di co-evoluzione con gli organismi nocivi. Il miglioramento delle proprietà di resistenza può essere ottenuto sia attraverso la selezione convenzionale basata sui tratti o sul genoma, sia attraverso l'ingegneria genetica. Tuttavia, i miglioramenti sono limitati dalle caratteristiche delle varietà disponibili per la selezione.

Modifica mirata del genoma nelle piante

Negli ultimi anni sono stati sviluppati metodi di biologia molecolare con cui è possibile modificare in modo mirato il genoma degli organismi superiori (il cosiddetto genome editing) [2]. In parole povere, ciò avviene con l'aiuto di due molecole che lavorano insieme: un modulo di riconoscimento che individua con precisione il sito bersaglio nel genoma e un enzima che taglia il DNA nel sito bersaglio. Le sequenze possono quindi essere inserite, modificate o rimosse da Chi siamo, grazie al meccanismo di riparazione del DNA della cellula. La gamma di applicazioni si estende da singole cellule a organismi completi, dalla ricerca fondamentale alla terapia genica nell'uomo e negli animali, fino alla riproduzione delle piante. In quest'ultimo caso, sarà possibile introdurre nuovi tratti nelle piante coltivate in modo più efficiente o generare mutazioni in modo mirato. Di particolare interesse per i ricercatori è la capacità di inattivare in modo affidabile e completo alcuni geni, ad esempio per determinarne la funzione.

La specificità per un particolare gene, cioè la precisione del modulo di riconoscimento, è fornita da una molecola specifica che viene introdotta nella cellula e riconosce con precisione la sequenza bersaglio. Nei primi metodi, si trattava delle cosiddette proteine zinc finger o TALEN, il cui codice di riconoscimento può essere adattato alla sequenza bersaglio di DNA desiderata. Attualmente, tuttavia, si ritiene che il potenziale maggiore sia rappresentato dal metodo denominato "CRISPR/Cas". Si tratta di un metodo molto facile da usare, adatto anche a migliorare le proprietà di resistenza e quindi ad aumentare la resa delle colture.

Da sistema di difesa batterico a strumento di selezione

CRISPR/Cas utilizza una molecola di RNA appositamente strutturata insieme a un enzima per riconoscere e tagliare un sito specifico nel genoma. Le mutazioni desiderate si verificano durante la successiva riparazione cellulare del sito tagliato. Il CRISPR/Cas funziona naturalmente nei batteri come meccanismo di difesa contro il DNA invasivo (ad esempio quello dei virus), ma può essere utilizzato nelle cellule di tutti gli organismi. Per la selezione delle sequenze bersaglio adatte sono disponibili diversi programmi informatici e banche dati genetiche. Ciò consente di evitare in larga misura effetti indesiderati su altri loci genici o di determinare sequenze adatte alla modifica simultanea di diversi geni. Il numero di mutazioni indesiderate in altre sequenze di DNA può essere ridotto quasi a zero con i metodi utilizzati oggi.

Rendere le colture più resistenti

La modifica mirata del genoma (mutagenesi) nelle piante è ancora nelle prime fasi di ottimizzazione dei metodi orientati all'applicazione. Tuttavia, dal 2013, l'editing del genoma ha già prodotto una serie di nuovi tratti nelle piante coltivate (grano, miglio, mais, riso, pomodoro) che sarebbe molto difficile ottenere in un lungo periodo di tempo utilizzando i metodi di riproduzione convenzionali [3]. I genomi delle piante rappresentano una sfida particolare perché molte di esse sono poliploidi. Ciò significa che hanno più di due copie del loro genoma - nel caso del grano, un ibrido di tre varietà selvatiche, ce ne sono addirittura sei.

Come l'uomo e gli animali, anche le piante si difendono da agenti patogeni come funghi, virus o batteri con l'aiuto di una sorta di sistema immunitario. Di norma, specifiche proteine vegetali riconoscono gli agenti patogeni e attivano una strategia di difesa. D'altro canto, i patogeni utilizzano anche le proteine dell'ospite per rendere efficace l'infezione. Una maggiore resistenza della pianta può quindi essere ottenuta sia rafforzando le difese attive sia eliminando i geni utilizzati dal patogeno. Quest'ultima può essere ottenuta mediante una mutazione puntiforme mirata dei geni interessati utilizzando CRISPR/Cas. Ad esempio, la malattia dell'oidio nel frumento può essere prevenuta rimuovendo le sei copie del gene MLO-I geni possono essere spenti allo stesso tempo. La pianta MLO-Il gene facilita l'infezione dei cereali da parte dei funghi dell'oidio (Blumeria graminis f. sp. Tritici),perché riduce la reazione di difesa della pianta. [4]

Domande in apertura

La particolarità di CRISPR/Cas è che i cambiamenti che crea nel genoma non sono diversi dalle mutazioni che si verificano naturalmente nelle piante e negli animali. Tali mutazioni sono causate, ad esempio, da influenze ambientali sul genoma, come radiazioni radioattive naturali, prodotti metabolici reattivi o errori nella moltiplicazione ed ereditarietà del DNA. Nel XX secolo, la cosiddetta selezione delle mutazioni con l'aiuto di trattamenti chimici o irradiazioni ha permesso di ottenere grandi guadagni nelle piante coltivate. Oggi, in tutto il mondo, esistono circa 3088 varietà di 190 specie create in questo modo.

Poiché le piante modificate con CRISPR/Cas non possono essere distinte da quelle ottenute con metodi di riproduzione convenzionali, sorge la domanda: Se un nuovo metodo di riproduzione innesca cambiamenti mirati nel genoma della specie in questione che anche la riproduzione convenzionale o la mutazione casuale possono produrre - anche se con uno sforzo molto maggiore - il prodotto risultante deve essere valutato come OGM (organismo geneticamente modificato) o non OGM? Il dibattito attuale si concentra sulla questione se la regolamentazione debba essere legata al processo o al prodotto.

Nel prossimo blog affronteremo in modo più approfondito i temi della valutazione del rischio e della regolamentazione.

Johannes Fütterer ha scritto questo post insieme a pagina esternaManuela Dahinden, Bruno Studer e Wilhelm Gruissem scritto.