Colture più produttive e maggiormente resistenti agli stress grazie all’editing genetico multiplex
Molti geni regolano i tratti che determinano la resa delle colture e la tolleranza alle condizioni avverse; l’identificazione di colture dotate di questi tratti desiderabili richiede solitamente lo screening di ampie popolazioni di piante incrociate. Sebbene decenni di biologia molecolare delle piante abbiano permesso di identificare numerosi meccanismi legati alla resa e alla tolleranza agli stress, le opzioni di implementazione sono tuttora limitate. «Anche se la selettocoltura è migliorata grazie ai marcatori genetici e alla mutagenesi casuale(si apre in una nuova finestra), è ancora molto dispendiosa in termini di tempo e risorse», afferma Dirk Inze(si apre in una nuova finestra), coordinatore del progetto BREEDIT, finanziato dal Consiglio europeo della ricerca(si apre in una nuova finestra). Secondo Inze, ricercatore presso l’Istituto fiammingo per le biotecnologie, l’ente che ha ospitato il progetto, uno dei motivi principali di ciò riguarda il fatto che «è tuttora praticamente impossibile prevedere quale combinazione di geni a piccolo effetto debba essere modificata per ottenere il risultato desiderato». Questa sfida è resa ancora più ardua dalla mole di dati necessari per cercare di rappresentare il maggior numero possibile di combinazioni geniche a partire da un’ampia collezione di geni. Partendo da 60 geni legati alla resa, BREEDIT ha combinato tecniche di selettocoltura convenzionali e di editing genetico allo scopo di identificare le combinazioni di geni che producono i fenotipi desiderati di resa o di tolleranza agli stress. «Anche se abbiamo conseguito una prova di concetto nel caso specifico del mais, l’approccio adottato da BREEDIT è applicabile a molte colture», aggiunge Inze.
Rivoluzionare l’approccio della «genetica inversa»
La novità di BREEDIT è stata quella di partire da un’ampia selezione di geni candidati coinvolti in una determinata caratteristica delle colture e di sviluppare un approccio volto a testare il maggior numero possibile di combinazioni di geni di ordine superiore per migliorare tale caratteristica. Le mutazioni sono state create mediante l’applicazione della tecnica di editing genetico CRISPR/Cas9(si apre in una nuova finestra). I costrutti «SCRIPT», che indicano al gene EDITOR dove effettuare la modifica, sono stati applicati a 12 diversi geni di una pianta di mais, mentre l’incrocio di queste piante con piante contenenti altri costrutti SCRIPT, e pertanto geni mutati differenti, ha generato ulteriori combinazioni di mutazioni. In totale sono stati utilizzati cinque diversi SCRIPT, che rappresentano 60 geni correlati alla crescita. «Questo approccio ha permesso di eliminare un maggior numero di membri delle reti di regolazione genica rispetto agli esperimenti mirati solamente a pochi geni, dando luogo a nuove combinazioni di geni che influenzano più profondamente i caratteri delle piante», spiega Inze. I fenotipi delle piante contenenti queste modifiche genetiche multiplex (mutazioni multiple) sono stati successivamente monitorati in diversi stadi di sviluppo. Il mais allo stadio di semina è stato sottoposto a screening fenotipico per individuare caratteristiche di crescita interessanti, dando luogo a un set di dati costituito da oltre 6 000 piantine che sono stati successivamente analizzati utilizzando strumenti avanzati di apprendimento automatico. Le popolazioni promettenti sono state testate una volta mature da una piattaforma di fenotipizzazione automatizzata, chiamata PHENOVISION(si apre in una nuova finestra), che utilizza immagini visive e iperspettrali per tutto il ciclo di vita delle piante. «Abbiamo rilevato la presenza di piante di mais in grado di produrre una maggiore quantità di biomassa sia in condizioni di buona irrigazione che di siccità, mentre abbiamo anche identificato l’editing genetico che ha permesso di modificare l’architettura della pianta e la larghezza del fusto, nonché di migliorare la produzione di semi», spiega Inze.
Piani di commercializzazione per ampliare i tratti e le colture bersaglio
Alla luce degli impatti negativi generati dai cambiamenti climatici sulla produzione alimentare che l’Europa si trova ad affrontare, la necessità di colture nuove e adattate al clima diventa sempre più urgente. L’approccio applicato da BREEDIT potrebbe contribuire ad accelerare la creazione di tali colture, oltre a promuovere un’agricoltura più sostenibile. A tal fine, il team valuterà alcune delle combinazioni di modifiche più promettenti di BREEDIT per garantire un ulteriore sviluppo. Nel frattempo, l’approccio adottato da BREEDIT ha già attirato l’attenzione dei collaboratori commerciali del progetto, dando vita alla società spin-off RAINBOW CROPS(si apre in una nuova finestra), che espanderà il concetto a nuove caratteristiche e colture. «Il successo dell’editing genetico di BREEDIT, limitatosi alle serre, deve ora essere replicato nei campi; inoltre, mentre BREEDIT si è concentrato sulla disattivazione dei geni, adesso possiamo anche sperimentare l’attivazione degli stessi man mano che aumentano le conoscenze sulle loro funzioni», conclude Inze.
