Riprogettare la fotosintesi per aumentare la produttività delle colture
La fotosintesi, il processo attraverso il quale le piante, le alghe e alcuni batteri utilizzano la luce solare, l’acqua e l’anidride carbonica (CO2) per produrre il proprio nutrimento, è fondamentale per la vita sulla Terra. Questo processo è fondamentale anche per mantenere i livelli di ossigeno nell’atmosfera. È interessante notare che la fotosintesi si è evoluta in un periodo in cui i livelli di CO2 sulla Terra erano molto più elevati. Nel corso di milioni e milioni di anni, i livelli di CO2 sono diminuiti, in parte grazie all’attività delle piante (l’ossigeno è un sottoprodotto della fotosintesi). Il risultato è che la fotosintesi non è più efficiente come in passato.
Affrontare la questione della sicurezza e della qualità alimentare
Uno dei motivi per cui ciò ha suscitato l’interesse degli scienziati è che la sicurezza e la qualità alimentare sono diventate questioni globali di primaria importanza. I cambiamenti climatici stanno influenzando le pratiche agricole e molte regioni del mondo stanno valutando modalità per aumentare la biomassa in modo efficiente e sostenibile al fine di nutrire una popolazione in crescita. È qui che entra in gioco l’idea di migliorare la fotosintesi nelle piante. «Le persone lavorano su questo progetto da decenni», spiega Stefan Schillberg, coordinatore del progetto PhotoBoost(si apre in una nuova finestra) presso il Fraunhofer IME(si apre in una nuova finestra) in Germania. «Un punto focale è stato il RuBisCO, un enzima fotosintetico fondamentale che trasforma l’anidride carbonica in zuccheri, ma che reagisce anche con l’ossigeno, causando uno spreco di energia.» Il team PhotoBoost era interessato a manipolare gli enzimi coinvolti nella fotosintesi per rendere il meccanismo più efficiente. Sono stati applicati diversi approcci di biologia sintetica e ingegneria metabolica, tra cui l’integrazione di un meccanismo di concentrazione del carbonio delle alghe e un meccanismo di eliminazione dell’ossigeno.
Ottenere raccolti più abbondanti di patate e riso
Un metodo efficace è stato quello di manipolare un meccanismo di concentrazione del carbonio che coinvolge diversi enzimi e proteine. Nel meccanismo sono state identificate quattro proteine, una delle quali è stata oggetto principale della ricerca. L’obiettivo finale era quello di migliorare significativamente la fotosintesi per aumentare la biomassa, in particolare nelle parti delle piante che vengono consumate, come i tuberi di patata e i chicchi di riso. «Era fondamentale dimostrare queste tecniche non solo nelle serre, ma anche in campo aperto», afferma Greta Nölke, la ricercatrice capo coinvolta nel progetto PhotoBoost. «Sono state condotte prove sul campo in Germania, Spagna e Filippine.» Il progetto ha dimostrato un aumento della resa di gran lunga superiore a quello ottenuto con i metodi di coltivazione convenzionali. In condizioni di campo vicino, le colture di patate che presentavano i miglioramenti fotosintetici più promettenti hanno raggiunto rese superiori fino al 42 %, mentre quelle di riso hanno raggiunto rese superiori fino al 33 %.
Promuovere un’agricoltura resiliente ai cambiamenti climatici
I risultati dimostrano che la fotosintesi può essere efficacemente «rimodellata» utilizzando la biotecnologia per ottenere miglioramenti sostanziali e stabili nella resa. Tali approcci potrebbero un giorno essere utilizzati per sostenere un’agricoltura resiliente al clima, consentendo una maggiore produttività di fronte ai cambiamenti climatici e alla crescente domanda alimentare globale. I prossimi passi prevedono il trasferimento di queste strategie di potenziamento fotosintetico ad altre colture. Un esempio è il fagiolo dall’occhio, un legume fondamentale in alcune zone dell’Africa, che ora è al centro di un nuovo progetto sostenuto da Gates Agricultural Innovation. «Siamo anche interessati ad analizzare gli effetti di questa tecnologia sul campo», afferma Schillberg. «Se producessimo colture con una maggiore biomassa, quali sarebbero le implicazioni in termini di utilizzo di acqua, sostanze nutritive e fertilizzanti? Inoltre, cosa implica questo in termini di qualità nutrizionale?» Schillberg e il suo team hanno intenzione di continuare ad approfondire queste e altre questioni, con l’obiettivo a lungo termine di promuovere l’agricoltura globale in modo sostenibile.
