Roma – Uno studio recente ha descritto una nuova strategia di selezione per creare rapidamente colture intelligenti dal punto di vista climatico che mostrano rese maggiori in condizioni normali e compensano notevolmente le perdite di resa dovute a stress termico sia nelle colture di cereali di base che in quelle orticole.
Lo studio, pubblicato su Cell , è stato condotto dal team del Prof. XU Cao dell’Istituto di genetica e biologia dello sviluppo (IGDB) dell’Accademia cinese delle scienze.
L’anno 2050 si avvicina rapidamente e la produttività agricola deve aumentare del 60% per sfamare una popolazione globale prevista di 10 miliardi. Tuttavia, l’attuale produzione agricola è insufficiente e si prevede che peggiorerà a causa del carico di stress abiotico del cambiamento climatico.
Un aumento di 2 °C durante la stagione di crescita si tradurrà in una perdita di resa del 3-13%. Per garantire la sicurezza alimentare globale e superare i colli di bottiglia della riproduzione, gli scienziati hanno urgente bisogno di sviluppare colture “intelligenti dal punto di vista climatico” che raggiungano rese più elevate in condizioni normali e rese stabili in condizioni di stress termico.
La base fisiologica della resa e della qualità delle colture è la relazione fonte-pozzo. I tessuti fonte (ad esempio, le foglie) sono produttori netti di fotoassimilati, ovvero principalmente carboidrati come il saccarosio. Al contrario, i tessuti pozzo (ad esempio, frutti, semi, radici, fiori in via di sviluppo, fibre di cotone e organi di riserva) sono importatori netti, che utilizzano o immagazzinano fotoassimilati.
Il gene dell’invertasi della parete cellulare ( CWIN ) è il gene cruciale che regola la relazione sorgente-pozzo nelle piante. L’enzima codificato da questo gene scarica e converte il saccarosio trasportato dalle foglie in glucosio e fruttosio all’interno degli organi pozzo, dove questi zuccheri possono essere direttamente assorbiti e utilizzati. Questi zuccheri non sono solo nutrienti essenziali per lo sviluppo di frutti e semi, ma influenzano significativamente la dolcezza dei frutti e la qualità dei chicchi di riso.
Lo stress da calore reprime l’attività CWIN e quindi interrompe l’equilibrio tra fonte e pozzo, con conseguente apporto energetico inadeguato negli organi pozzo, riduzione dello sviluppo riproduttivo e penalizzazione della resa.
Nel loro nuovo studio, il Prof. XU Cao e il suo team hanno sviluppato una strategia basata sull’ottimizzazione clima-responsiva della ripartizione del carbonio nei pozzi (CROCS) manipolando razionalmente l’espressione dei geni CWIN nelle colture di frutta e cereali. Hanno inserito con precisione un elemento di shock termico (HSE) di 10 bp nei promotori dei geni CWIN in cultivar di riso e pomodoro d’élite, utilizzando strumenti di prime-editing ad alta efficienza auto-sviluppati. L’inserimento di HSE conferisce ai CWIN una sovraregolazione termo-responsiva sia in ambienti controllati che in campo per migliorare la ripartizione del carbonio nei chicchi di riso e nei frutti di pomodoro.
Test di resa multi-località e multi-stagione su pomodori in varie condizioni di coltivazione, tra cui serre e campi aperti, hanno mostrato che in condizioni normali la strategia CROCS ha aumentato le rese di pomodori dal 14% al 47%. In condizioni di stress da calore, ha aumentato la resa di frutta per appezzamento del 26%~33% rispetto ai controlli e ha salvato il 56,4%~100% delle perdite di resa di frutta causate dallo stress da calore. In particolare, aspetti della qualità della frutta come uniformità e contenuto di zucchero sono stati notevolmente migliorati rispetto ai controlli non modificati.
Inoltre, le cultivar di riso migliorate da questa strategia non solo hanno mostrato un aumento della resa dal 7% al 13% in condizioni normali, ma hanno anche mostrato un aumento della resa del grano del 25% rispetto ai controlli in condizioni di stress da calore. In particolare, fino al 41% delle perdite di grano indotte dal calore sono state recuperate nel riso.
Il Prof. Xu ha osservato che CROCS è un sistema efficiente, versatile, basato sul prime-editing per il rapido miglioramento delle colture, che apre la strada alla rapida creazione di colture climate-smart tramite l’inserimento mirato di elementi cis-regolatori sensibili all’ambiente. La strategia fornisce anche efficaci strumenti di gene-editing e procedure operative fattibili per lo studio fondamentale delle risposte delle piante allo stress.
I ricercatori hanno anche notato che questa strategia di selezione è stata ora applicata anche a colture come la soia, il grano e il mais.(30Science.com)
