30 1 maggio 2013 sfoglia numero

Genetica

La tradizione del miglioramento genetico

Sergio Salvi
Dalla selezione massale alla costituzione degli ibridi: il breeding classico.

L’origine del concetto di miglioramento vegetale è contestuale alla nascita dell’agricoltura, datata intorno al 9000 a.C. e avvenuta, con la domesticazione dei primi cereali, nella cosiddetta mezzaluna fertile, l’area geografica che dall’Iraq si estende fino in Egitto, attraversando Turchia, Siria, Libano e Israele [1]. I primi documenti storici testimonianti l’adozione di pratiche di miglioramento vegetale non sono fatti di carta, ma di pietra scolpita: bassorilievi assiro-babilonesi (circa 700 a. C.) mostrano, infatti, alcuni personaggi intenti a effettuare l’impollinazione artificiale della palma da datteri (Phoenix dactylifera), la quale, essendo una specie allogama e – soprattutto – dioica (cioè con i fiori maschili e femminili portati da individui distinti), non può essere sfruttata massivamente dal punto di vista agrario se non attraverso l’esecuzione sistematica della fecondazione artificiale fra tipi selezionati [2]. Tuttavia, per assistere a una generale e più consapevole diffusione delle prime pratiche di miglioramento genetico vegetale bisogna attendere il XIX secolo, epoca in cui si è affermata la cosiddetta selezione massale.
La selezione massale consiste nel miglioramento di una popolazione attraverso l’incremento delle frequenze di geni d’interesse, operando una selezione dei fenotipi più promettenti (selezione massale positiva) oppure, in modo analogo, eliminando i tipi che possiedono caratteri indesiderati (selezione massale negativa). Pur trattandosi di un procedimento semplice, rapido, diretto e poco costoso, presenta l’inconveniente di mantenere un elevato livello di variabilità nella popolazione sottoposta a selezione, consentendo di operare una selezione efficace solo per i caratteri a elevata ereditabilità [3].
A partire dalla seconda metà del XIX secolo inizia ad affermarsi anche il metodo della selezione per linea pura, noto anche come selezione genealogica. L’inventore di questo metodo è il francese Louis de Vilmorin (1816-1860), che lo descrisse per la prima volta nel 1850 [4], anche se lo stesso metodo fu successivamente “riscoperto” e riproposto da altri breeders quali Hallet, Nilsson e Johannsen.
La selezione per linea pura si effettua scegliendo singole piante all’interno di una popolazione di partenza, le cui discendenze (numerose piante figlie per ciascuna pianta madre) sono allevate e valutate qualitativamente, operando la selezione delle migliori in relazione ai caratteri desiderati. Le linee derivate dalle piante figlie selezionate, ulteriormente valutate per le loro prestazioni agronomiche (in genere confrontandole con le varietà commerciali più diffuse), sono moltiplicate fino a ottenere la fissazione di una nuova varietà [5]. Nonostante questo metodo consenta di isolare varietà geneticamente più stabili rispetto alla selezione massale, il limite principale risiede nel non consentire l’ulteriore variabilità utile all’interno della specie sottoposta a selezione.
Con la riscoperta delle leggi di Mendel, avvenuta nel XX secolo, inizia a diffondersi l’incrocio per impollinazione artificiale che consente d’introdurre nuova variabilità genetica da sottoporre a selezione.
La combinazione dell’ibridazione con la selezione genealogica, adottata da numerosi breeders (tra i quali si distingue, in modo particolare, l’italiano Nazareno Strampelli con i suoi lavori di miglioramento del frumento [6]), determina un’impennata nella produttività di numerose specie d’interesse agrario, cereali in primis.
Parallelamente, sono sviluppati ulteriori metodi di miglioramento, come il metodo pedigree, il metodo per popolazione riunita e il reincrocio.
Il metodo pedigree si basa sull’annotazione, da parte del breeder, delle caratteristiche genealogiche delle cultivars di nuova costituzione (redazione delle note pedigree). In questo modo, il breeder è in grado di tracciarne la “parentela” a ogni generazione successiva, operando nel contempo la selezione delle piante desiderate (o indesiderate) sulla base di un singolo fenotipo all’interno della popolazione segregante. Si tratta, pertanto, di un metodo di selezione individuale continua, susseguente allo step iniziale in cui due parentali – dotati di caratteristiche agronomiche di pregio che si desidera riunire nella popolazione di partenza – sono stati incrociati. Il processo di selezione prosegue fino al raggiungimento di un livello di omozigosi tale da rendere le piante selezionate fenotipicamente omogenee.
Con il metodo pedigree è possibile ottenere un elevato grado di purezza della cultivar costituita; tuttavia si tratta di una procedura lenta, laboriosa e costosa, che richiede in genere 10-12 anni per portare alla costituzione di una nuova cultivar [3].
Il metodo di selezione per popolazione riunita (bulk population) fu ideato dal breeder svedese Herman Nilsson-Ehle (1873-1949) agli inizi del 900. Il metodo sfrutta l’effetto della selezione naturale nelle prime generazioni al fine di eliminare o ridurre i genotipi meno idonei. Dopo l’iniziale incrocio dei parentali, la procedura prevede la riunione delle progenie (bulking) in uno spazio comune relativamente ridotto. Queste condizioni di allevamento favoriscono la competizione tra i differenti genotipi presenti, incrementando la frequenza dei genotipi desiderabili al termine del periodo di bulking e agevolando il lavoro di selezione artificiale sulle generazioni successive, le quali – nel caso delle specie autogame – presentano elevati livelli di omozigosi per i tratti desiderati.
Tuttavia, gli effetti della selezione naturale possono portare anche all’affermazione di genotipi indesiderati e la perdita di parte di quelli desiderabili, con la possibilità che si instaurino fenomeni di deriva genetica [3].
Un altro metodo di miglioramento è quello del reincrocio, particolarmente adatto per dotare una varietà di geni che controllano in maniera semplice una o poche caratteristiche per le quali essa è deficiente [5]. Questi geni possono essere trasferiti dalla varietà che li possiede (genitore donatore) tramite incrocio con la varietà alla quale mancano (genitore ricorrente). La progenie derivante dall’incrocio è quindi incrociata nuovamente con il genitore ricorrente, ottenendo una prima generazione di reincrocio (backcrossing). Il reincrocio, ripetuto più volte ed eventualmente interrotto da cicli di autofecondazione e selezione, conduce a un genotipo avente tutte le caratteristiche del genitore ricorrente, ma arricchito delle caratteristiche desiderate fornite dal genitore donatore. All’evidente vantaggio dato dall’introduzione di geni desiderati in un genotipo che non li possiede fanno da contraltare alcuni potenziali svantaggi, come, per esempio, la possibile presenza di linkage indesiderati tra il gene introdotto e altri geni che possono influenzare negativamente le caratteristiche positive del genitore ricorrente.
Ai suddetti metodi di miglioramento genetico tradizionale si affiancano altri metodi –  in genere modificazioni e/o integrazioni dei precedenti –  come il single-seed descent, il metodo per popolazione riunita-pedigree e il metodo reincrocio-pedigree [5].
I metodi sopra elencati sono stati sviluppati principalmente per ottenere il miglioramento di alcune specie-chiave nell’alimentazione umana che, come il frumento e il riso, sono prevalentemente autogame. Questo fa sì che gli stessi metodi, fatte salve alcune eccezioni, non sono applicabili – alla stessa maniera e con gli stessi vantaggi pratici – alle specie prevalentemente allogame, quali il mais. In altre parole, questi metodi sono stati concepiti per ottenere la fissazione omozigote di geni di qualità posseduti da individui appartenenti a specie che, per loro natura, tendono all’omozigosi; tuttavia perdono efficacia se applicati alle specie allogame, nelle quali la condizione omozigote è generalmente sfavorita, soprattutto in relazione alla riduzione della loro fitness riproduttiva (depressione da inbreeding).
Paradigmatico nel miglioramento delle specie allogame è proprio il caso del mais, oggetto di fondamentali studi compiuti agli inizi del 900 dagli statunitensi Edward M. East (1879-1938) e George H. Shull (1874-1954), ai quali si deve il concetto di ibrido di prima generazione.
Secondo East e Shull, sottoponendo piante di mais ad autofecondazione ripetuta è possibile eliminare i tipi omozigoti per caratteri recessivi deleteri, selezionando invece i tipi migliori i quali, per effetto dell’autofecondazione, tendono a uniformarsi costituendo linee inbred omozigoti. L’incrocio tra linee inbred, opportunamente scelte attraverso la valutazione della loro attitudine alla combinazione, dà luogo alla manifestazione del fenomeno dell’eterosi (o vigore dell’ibrido), per cui la prima generazione ibrida (eterozigote) appare uniforme e molto vigorosa.
Conseguentemente a ogni generazione la combinazione genetica dell’ibrido deve essere ricostituita e il seme rinnovato ogni anno: è infatti sconsigliato seminare la granella ottenuta dall’ibrido in quanto dà luogo a segregazione dei caratteri (con la conseguente difformità tra i singoli individui) e alla perdita del vigore ibrido.
La valutazione dell’attitudine alla combinazione è la fase più importante e difficile del programma di miglioramento; questa richiede l’esecuzione di tutti i possibili incroci tra le linee inbred sottoposte a valutazione, in modo da selezionare solo le linee in grado di conferire un elevato valore agronomico all’ibrido. Le linee pure ottenute per autofecondazione progressiva sono infatti molto deboli per effetto dell’inbreeding. Ne deriva che non tutte le linee inbred sono idonee a essere incrociate, poiché non tutte sono in grado di rigenerare il vigore nell’ibrido risultante [7].

Progetti di ricerca italiani
A oggi vi sono diversi progetti di ricerca (ancora in fase di svolgimento) che alle tecniche di miglioramento genetico tradizionali abbinano la biologia molecolare. Complessivamente gli obiettivi dei progetti tendono, più che a incrementare le rese, a una razionalizzazione degli input durante la coltivazione e all’affermazione di particolari caratteristiche qualitative di pregio.
Il progetto Alisa, presso il Centro di ricerca per la cerealicoltura di Foggia, ha l’obiettivo di sviluppare varietà ibride con ridotto accumulo di micotossine per garantire la sicurezza alimentare delle produzioni tipiche italiane ad alto valore aggiunto derivate dalla trasformazione del mais, mediante lo sviluppo di piante dotate di resistenza alle contaminazioni.
Ai fini del miglioramento genetico e, in particolare, dell’introduzione nelle linee di produzione di tolleranze a funghi e insetti, è importante conservare la biodivesità attraverso la gestione di opportune banche del germoplasma. La finalità del progetto Biodati presso il Centro di ricerca di Roma si muove in questa direzione proponendo 7 worckpages: Wp1 Coordinamento, Wp2 - Banca dati, Wp3 - Biodiversità zoologica, zootecnica e dei microrganismi, Wp4 - Biodiversità vegetale, Wp5 - Miglioramento genetico, Wp6 dove sono svolte altre attività di rilevante interesse per tutti gli operatori del settore agricolo e Wp7 Piano di sfruttamento dei risultati e ricadute.
Il progetto Biogesteca, invece, attraverso la variabilità genetica si prefigge di migliorare l’efficienza delle colture nell’utilizzo dell’acqua e dei fertilizzanti, nonché la resistenza alle avversità consentendo una riduzione dell’impiego degli agrofarmaci.
La possibilità di coesistenza tra colture trasformate e tradizionali è oggetto di studio di Coema, progetto di ricerca che indaga le dinamiche di diffusione del polline tra coltivazioni contigue di mais. L’azione di ricerca è rivolta a modelli di coesistenza per la maiscoltura italiana e si prefigge di analizzare il livello di diffusione dell’evento Mon810 in alcune località del Friuli, di studiare l’andamento del flusso genico nel mais nel contesto padano e l’efficacia relativa di alcuni strumenti agronomici per il suo contenimento tra cui l’adozione di alcuni strumenti agronomici per contenere l’entità della fecondazione incrociata.
Lo sviluppo delle filiere di produzione a valore aggiunto nel comparto del mais alimentare, attraverso la costituzione di nuove varietà con superiori caratteristiche qualitative, è l’argomento sviluppato dal progetto Maismolino. Gli obiettivi del progetto di ricerca sono:
•    la costituzione di ibridi F1, di linee parentali e di fonti genetiche utilmente impiegabili nelle filiere a valore aggiunto per la produzione di hominy grits per cereali da prima colazione, di grits a granulometria media per birre premium e per prodotti di estrusione, di farine bramate per gli usi tradizionali o per le linee prive di glutine;
•    lo sviluppo di nuovi ibridi a livello operativo con la redazione di linee guida direttamente utilizzabili per i contratti di filiera, per la produzione agronomica e per i processi di post raccolta;
•    la valutazione della qualità tecnologica della granella per l’ottenimento di hominy grits e di prodotti estrusi;
•    l’implementazione di una filiera pilota “dal seme allo scaffale”.


Riferimenti bibliografici
[1] Salamini F., Ozkan H., Brandolini A., Schäfer-Pregl R., Martin W., 2002. Genetics and geography of wild cereal domestication in the near east. Nature reviews in genetics, 3, 429-441.

[2] Roberts H.F., 1929. Plant hybridization before Mendel. Princeton University press, Princeton, Usa.

[3] Acquaah G., 2007. Principles of plant genetics and breeding. Blackwell publishing, Malden, Usa.

[4] Gayon J., Zallon D.T., 1998. The role of the Vilmorin Company in the promotion and diffusion of the experimental science of heredity in France, 1840-1920. Journal of the history of biology, 31, 241–262.

[5] Lorenzetti F., Falcinelli M., Veronesi F., 1994. Miglioramento genetico delle piante agrarie. Edagricole, Bologna.

[6] Salvi S., Porfiri O., Ceccarelli S., 2013. Nazareno Strampelli the ‘Prophet’ of the green revolution. Journal of agricultural science, 151, 1-5.

[7] Bonciarelli F., 2001. Coltivazioni erbacee da pieno campo. Edagricole, Bologna.






  Sergio Salvi
biologo, è ricercatore di genetica e biologia molecolare



Temi associati a questo articolo: Agricoltura, Agronomia, Alimentazione, Ambiente, Genetica, Nuove tecnologie, Ricerca


 
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