Il miglioramento della produzione agricola ha avuto origine con l’inizio dell’agricoltura, quando le piante di interesse agrario furono trasformate da selvatiche (wild) a domesticate. La base di questo miglioramento è la selezione, cioè l’identificazione di caratteristiche interessanti all’interno della variabilità esistente. Da un’attività inizialmente istintiva, basata unicamente sull’intuizione e la capacità di giudizio dell’agricoltore, si è passati gradualmente a livelli di conoscenza sempre più approfonditi, fino alle moderne tecnologie di biologia molecolare che facilitano il miglioramento genetico. La selezione assistita da marcatori, nota anche come MAS (dall'inglese Marker Assisted Selection) è una tecnica di selezione genetica applicata alle piante e agli animali che permette di migliorare caratteri d'interesse attraverso l'impiego di marcatori morfologici biochimici e genetici. Questa tecnica è stata utilizzata per il rilascio di molte varietà di specie arboree ed erbacee, e viene utilizzata anche in Italia.
La nascita dell’agricoltura come metodo per procurarsi il cibo, avvenuta circa 11.000 anni fa, è stata probabilmente il passaggio più importante nella storia dell’umanità, in quanto ha modificato non solo il modo di alimentarsi, ma anche la struttura del vivere sociale. La coltivazione delle specie vegetali di cui gli uomini si nutrivano ha infatti portato allo sviluppo di comunità stanziali e non più nomadi, determinando la nascita delle città; inoltre, ha richiesto l’acquisizione di numerose e diversificate conoscenze. Di ogni coltura gli uomini hanno imparato a riconoscere le necessità: il tipo di terreno più adatto in cui coltivarla, la stagione migliore per la semina, l’eventuale necessità di acqua; hanno compreso la necessità di alternare colture diverse sullo stesso campo e di arricchire il terreno per renderlo più fertile. Si è poi reso necessario lo sviluppo di attrezzi e macchine per l’aratura (Figura 1) e la semina, per il trasporto e lo stoccaggio del raccolto, per la trasformazione della materia prima in alimento. E, naturalmente, il possesso di terra per la produzione di cibo è stato causa di guerra in ogni epoca della storia.
figura 1 - Aratura nell'antico Egitto
La necessità di aumentare la produzione della quantità di cibo richiesto in conseguenza all’aumento della popolazione, o di mantenerla costante anche in condizioni ambientali non favorevoli, è un aspetto che ha fortemente condizionato il modo in cui l’agricoltura è stata praticata nei secoli. Per molto tempo l’unico modo per aumentare la produzione di materia prima a scopo alimentare è stato quello di aumentare la superficie coltivata, una soluzione in apparenza semplice ma non sempre attuabile, per una serie di motivi. Innanzitutto, una superficie più ampia da coltivare comportava una quantità maggiore di lavoro da svolgere, un aspetto che, fino all’avvento delle macchine agricole a motore, ha pesato fortemente sulla fattibilità di questo approccio. In secondo luogo, allargare le superfici destinate all’agricoltura non è una soluzione praticabile nelle zone densamente popolate, per una evidente mancanza di spazi. Infine, la pratica di dedicare all’agricoltura superfici ricavate dal disboscamento può alla lunga compromettere l’equilibrio ambientale e mettere a rischio la biodiversità vegetale e animale.
La soluzione possibile a questa richiesta è quella di aumentare la resa delle piante coltivate, ed è a questo obiettivo che gli agricoltori di ogni epoca hanno sempre mirato, utilizzando gli strumenti a loro disposizione. Oltre agli interventi sull’ambiente di coltivazione (ad esempio la lavorazione e la concimazione del terreno, la rotazione delle colture, l’irrigazione, la difesa da piante infestanti e da organismi patogeni o parassiti, la strategia per ottenere una resa produttiva più elevata è quella di selezionare le caratteristiche morfologiche o fisiologiche delle piante coltivate che risultano favorevoli a questo scopo.
All’inizio del lavoro di selezione la variabilità utilizzata era di origine naturale e la selezione era un processo istintivo, basato sull’intuizione e sulla capacità di giudizio dell’agricoltore, che sceglieva le piante o le varietà più produttive a scapito delle altre. In generale, quindi, la tendenza degli agricoltori è stata quella di scegliere le colture che, a parità di lavoro impiegato, davano la resa maggiore o semplificavano le fasi di raccolta e trasformazione. Un esempio è il passaggio dalla coltivazione del Triticum monococcum (frumento diploide, antenato dei frumenti coltivati) (Figura 2) a quella del moderno Triticum (poliploide): il primo porta il carattere shattering, per cui a maturazione le singole spighette della spiga si separano le une dalle altre, mentre nel secondo la spiga rimane compatta, rendendo molto più semplice la raccolta dei semi da macinare.
figura 2 - Semi di Triticum monococcum
La selezione delle piante coltivate ha proseguito con un approccio che potremmo definire sperimentale fino all’inizio del XX secolo, quando furono riscoperti gli studi di Gregor Mendel (Figura 3) sull’ereditarietà dei caratteri morfologici nelle piante.
figura 3 - Gregor Mendel
La coltivazione degli ibridi di mais, che hanno sostituito quasi ovunque le popolazioni tradizionali, ha portato ad aumentare di quattro volte la produzione di questo cereale negli anni compresi tra il 1950 e il 2000. La creazione di nuova variabilità genetica attraverso gli incroci e la selezione della progenie, che costituisce la base del miglioramento genetico o breeding, ha avuti effetti notevoli anche per la coltivazione del frumento. La riduzione della taglia della pianta, l’acquisizione della resistenza ad alcuni patogeni e dell’adattabilità ad ambienti climaticamente differenti, caratteristiche ottenute attraverso il lavoro di Nazareno Strampelli in Italia e in seguito di Norman Borlaug in Messico, ha portato alcuni paesi alla condizione di autosufficienza alimentare. Un approccio analogo fu poi applicato alla coltivazione del riso, l’altra grande coltura cerealicola che costituisce la principale fonte di cibo per una parte molto ampia della popolazione mondiale.
Un’altra tappa fondamentale nella conoscenza dei meccanismi genetici negli organismi viventi è stata la scoperta della struttura della molecola del DNA, proposta dai ricercatori J.D. Watson e F.H.C. Crick e pubblicata sulla prestigiosa rivista Nature nel 1953 (Figura 4).
figura 4 - J.D. Watson e F.H.C. Crick
In un rapporto FAO del 2007 sullo stato di applicazione di diverse biotecnologie in campo vegetale la MAS risultava applicata in 11 dei 25 Paesi in via di sviluppo analizzati. Complessivamente, nel rapporto vengono riportati 677 progetti di applicazione della MAS su coltivazioni erbacee e arboree a diverse fasi di sviluppo, come riportato nella Tabella 1.
Tabella 1. Numero delle varietà in fase di sviluppo con la tecnica della MAS
(Da:MAS -Marker Assisted Selection)
|
Fase |
Colture erbacee |
Colture arboree |
Totale
|
|
Sperimentazione |
344 |
179 |
523 |
|
Sperimentazione in campo |
107 |
8 |
115 |
|
Commercializzazione |
4 |
1 |
5 |
|
Non identificata |
34 |
0 |
34 |
|
Totale |
489 |
188 |
677 |
Gli anni ’90 hanno visto nascere una nuova tecnica, definita ingegneria genetica, per il trasferimento dei geni che controllano i caratteri di interesse agronomico. L’ingegneria genetica consente di inserire nel DNA di un organismo uno o più geni provenienti da altri organismi, anche geneticamente lontani. L’introgressione è resa possibile dal fatto che sia la struttura del DNA che i meccanismi con cui si replica e codifica la sintesi di molecole proteiche sono gli stessi in tutti gli esseri viventi. Gli organismi, soprattutto piante, che ricevono il gene esogeno vengono definiti organismi geneticamente modificati (OGM). Lo sviluppo delle piante OGM, però, ha sollevato una quantità di obiezioni che ne hanno, di fatto, limitato la coltivazione e l’utilizzo a scopo alimentare.
In sintesi, le principali specie coltivate hanno fatte registrare negli ultimi 50 anni un aumento notevole di produzione (Figura 5).
figura 5 - Aumento della produzione delle maggiori colture negli ultimi 50 anni.
Alla ricerca di varietà o ibridi sempre più produttivi, negli ultimi decenni si sono affiancati studi per migliorare la qualità delle materie prime che usiamo come alimenti. Anche nei paesi in cui la popolazione non soffre di denutrizione, infatti, esistono problemi alimentari legati alla mancanza di alcuni elementi fondamentali, quali ad esempio vitamine, sali minerali o aminoacidi essenziali. Queste mancanze sono generalmente dovute all’assunzione di una dieta monotona o di alimenti in cui il processo di trasformazione ha alterato o impoverito la materia prima; inoltre, si osserva un’ampia diffusione di forme di intolleranza più o meno gravi a carico di diversi alimenti.
Programmi specifici di miglioramento genetico vengono quindi attivati anche per selezionare genotipi in cui la composizione chimica risulti bilanciata e di buon valore nutrizionale.collegamento consigliato
Aratura nell'antico Egitto
Aratura nell’antico Egitto
Semi di Triticum monococcum
Semi di Triticum monococcum
Gregor Mendel
Gregor Mendel
J.D. Watson e F.H.C. Crick
J.D. Watson (a sinistra) e F.H.C. Crick con il modello della doppia elica del DNA
Aumento della produzione delle maggiori colture negli ultimi 50 anni.
Aumento della produzione delle maggiori colture negli ultimi 50 anni.
Da: Godfray et al. Food security: the challenge of feeding 9 billion people. Science, 327: 812-818, 2010
Nonostante questi grandi progressi legati alla produttività agricola, però, molte sfide sono ancora aperte. Ancora una larga parte della popolazione mondiale non ha accesso a una nutrizione adeguata, ma la soluzione di questo problema non è legata tanto alla quantità di cibo che può essere prodotto, quanto a una sua equa distribuzione, un aspetto che dipende molto di più da equilibri politici ed economici che da fattori genetici o agronomici. Va inoltre considerato che l’applicazione dell’agricoltura intensiva comporta un costo economico non indifferente, legato all’acquisto delle sementi, di fertilizzanti, diserbanti e prodotti chimici, costo che può essere sostenuto dagli agricoltori nei paesi più ricchi, ma che crea problemi alle popolazioni delle zone più povere. A questi si aggiungono i costi a livello ambientale: lo sfruttamento eccessivo del suolo nelle zone in cui si pratica la monocoltura, lo sviluppo di resistenze da parte degli organismi patogeni ai trattamenti fitosanitari, gli effetti delle sostanze chimiche applicate e dell’eccesso di nitrati, sono tutti aspetti che destano preoccupazione, soprattutto in una prospettiva futura. Non ultima è la consapevolezza della riduzione di biodiversità dovuta alla coltivazione di varietà o ibridi con le stesse caratteristiche genetiche, scelte in base a parametri produttivi.
D’altra parte, esistono ancora molte aree nel mondo in cui la produttività delle colture fondamentali per l’alimentazione è significativamente inferiore a quella necessaria per il sostentamento della popolazione, o comunque inferiore alla resa che si potrebbe ottenere applicando un modello agronomico diverso. Questo porta alla considerazione che approcci agronomici anche molto differenti tra loro possano essere applicati contemporaneamente, a seconda delle esigenze specifiche delle singole regioni del mondo. Il passo successivo della ricerca agronomica sarà quindi la messa a punto di un modello flessibile di miglioramento genetico e di coltivazione delle specie coltivate che garantisca l’equilibrio dell’ambiente naturale e, di conseguenza, la sopravvivenza delle specie che da esso traggono alimento, non ultima la specie umana.
Godfray et al. Food security: the challenge of feeding 9 billion people. Science, 327: 812-818, 2010
MAS -Marker Assisted Selection
Standage T. (2009). Una storia commestibile dell’umanità. Codice Edizioni.
Storia del miglioramento genetico vegetale, Fabio Veronesi.
Waston J.D., Crick F.H.C. (1953). A structure for deoxyribose nucleic acid. Nature 4356: 737-738.
