Bioingegneria multigenica della fotosintesi: soia più efficiente del 20% nello sfruttare la luce solare (VIDEO)
Il RIPE dimostra per la prima volta che aumenta i raccolti nelle colture alimentari
[19 Agosto 2022]
Con lo studio “Soybean photosynthesis and crop yield are improved by accelerating recovery from photoprotection” pubblicato su Science, i ricercatori del Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE) hanno dimostrato per la prima volta che «La bioingegneria multigenica della fotosintesi aumenta la resa della soia e delle principali colture alimentari nelle prove sul campo».
RIPE è un progetto di ricerca internazionale che punta ad aumentare la produzione alimentare globale migliorando l’efficienza fotosintetica nelle colture alimentari dei piccoli agricoltori nell’Africa subsahariana, E’ guidato University of Illinois in partnership con Australian National University, Chinese Academy of Sciences, Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation, Lancaster University, Louisiana State University, University of California – Berkeley, University of Cambridge, University of Essex, and U.S. Department of Agriculture, Agricultural Research Service e realizzato con il sostegno della Bill & Melinda Gates Foundation , Foundation for Food & Agriculture Research e Commonwealth & Development Office del ministero degli esteri del Regno Unito. Dopo più di un decennio di lavoro, il team di ricercatori guidato dall’università dell’Illinois – Urbana ha modificato transgenicamente le piante di soia per aumentare l’efficienza della fotosintesi, ottenendo maggiori raccolti senza perdita di qualità.
Il team di RIPE sottolinea che «Risultati di questa portata non potrebbero arrivare in un momento più cruciale». Il recente rapporto “The State of Food Security and Nutrition in the World 2022” dell’Onu, ha rilevato che nel 2021 quasi il 10% della popolazione mondiale soffriva di fame, una situazione che è andata costantemente peggiorando negli ultimi anni ed eclissando tutte le altre minacce alla salute globale. Secondo l’Unicef, entro il 2030 oltre 660 milioni di persone dovranno affrontare la scarsità di cibo e la malnutrizione. Al RIPE ricordano che «Due delle principali cause di questo sono le catene di approvvigionamento alimentare inefficienti (accesso al cibo) e le condizioni di crescita più difficili per i raccolti a causa del cambiamento climatico. Migliorare l’accesso al cibo e migliorare la sostenibilità delle colture alimentari nelle aree povere sono gli obiettivi chiave di questo studio e del progetto RIPE».
L’autrice principale dello studio, Amanda De Souza del Carl R Woese Institute for Genomic Biology dell’università dell’Illinois – Urbana, evidenzia che «Il numero di persone affette da insufficienza alimentare continua a crescere e le proiezioni mostrano chiaramente che, per cambiare la traiettoria, è necessario un cambiamento a livello di approvvigionamento alimentare. La nostra ricerca mostra un modo efficace per contribuire alla sicurezza alimentare delle persone che ne hanno più bisogno, evitando che venga messa in produzione più terra. Il miglioramento della fotosintesi è un’importante opportunità per ottenere il salto necessario nel potenziale di resa».
La fotosintesi, il processo naturale utilizzato da tutte le piante per convertire la luce solare in energia e produrre biomassa, ma al Ripa dicono che è un processo sorprendentemente e per questo da un decenni i ricercatori lavoravano per migliorare il costrutto VPZ all’interno della pianta di soia e migliorare x così a sua volta la fotosintesi. Il RIPe ha poi condotto test sul campo per vedere se la resa sarebbe migliorata.
All’università dell’Illinois – Urbana spiegano che «Il costrutto VPZ contiene tre geni che codificano per le proteine del ciclo della xantofilla, che è un ciclo del pigmento che aiuta nella fotoprotezione delle piante. Una volta in pieno sole, questo ciclo si attiva nelle foglie per proteggerle dai danni, permettendo alle foglie di dissipare l’energia in eccesso. Tuttavia, quando le foglie sono ombreggiate (da altre foglie, nuvole o dal sole che si sposta nel cielo) questa fotoprotezione deve spegnersi in modo che le foglie possano continuare il processo di fotosintesi con una riserva di luce solare. Occorrono diversi minuti prima che la pianta disattivi il meccanismo di protezione, costando alle piante tempo prezioso che avrebbe potuto essere utilizzato per la fotosintesi. La sovraespressione dei tre geni del costrutto VPZ accelera il processo, quindi ogni volta che una foglia passa dalla luce all’ombra la fotoprotezione si spegne più velocemente. Le foglie guadagnano minuti extra di fotosintesi che, sommati durante l’intera stagione di crescita, aumentano il tasso di fotosintesi totale». Il nuovo studio ha dimostrato che, «Nonostante il raggiungimento di un aumento della resa di oltre il 20%, la qualità del seme non è stata influenzata».
Il direttore del RIPE, Stephen Long, evidenzia che «Nonostante la maggiore resa, il contenuto proteico dei semi è rimasto invariato. Ciò suggerisce che parte dell’energia extra ottenuta dal miglioramento della fotosintesi è stata probabilmente dirottata verso i batteri che fissano l’azoto nei noduli della pianta».
I ricercatori hanno prima testato la loro idea sulle piante di tabacco per la loro facilità di trasformare la genetica del raccolto e la quantità di semi che possono essere prodotti da una singola pianta. Questi fattori hanno consentito loro di passare in pochi mesi dalla trasformazione genetica a una sperimentazione sul campo. Una volta che il concetto è stato dimostrato nel tabacco, sono passati al compito più complicato di inserire la genetica in una coltura alimentare: i semi di soia.
Long fa notare che «Avere ora mostrato aumenti di resa molto sostanziali sia nel tabacco che nella soia, due colture molto diverse, suggerisce che questo abbia un’applicabilità universale. Il nostro studio dimostra che la realizzazione di miglioramenti della resa è fortemente influenzata dall’ambiente. Per garantire la stabilità ambientale del guadagno, è fondamentale determinare la ripetibilità di questo risultato in tutti gli ambienti e ulteriori miglioramenti». Intanto sono in corso ulteriori test sul campo di queste piante di soia transgenica, con risultati attesi per l’inizio del 2023.
Secondo la De Souza, «L’impatto principale di questo lavoro è quello di aprire le strade per dimostrare che possiamo bioingegnerizzare la fotosintesi e migliorare i raccolti per aumentare la produzione alimentare nelle colture principali. E’ l’inizio della conferma che le idee radicate nel progetto RIPE sono un mezzo di successo per migliorare la resa nelle principali colture alimentari».
Il progetto RIPE e i suoi sponsor si impegnano a garantire l’accesso globale e a rendere disponibili le tecnologie del progetto agli agricoltori che ne hanno più bisogno, con particolare attenzione all’Africa subsahariana, una delle aree in più rapida crescita per la produzione di soia nel mondo. Secondo il Soybean Innovation Lab, «Questa coltura alimentare ad alto contenuto proteico ha visto una crescita in acri piantati e domanda interna».
Long conclude: «Per me personalmente, questa è stato un percorso durato oltre un quarto di secolo. A partire dapprima con un’analisi teorica dell’efficienza teorica della fotosintesi delle colture, la simulazione dell’intero processo mediante un calcolo ad alte prestazioni, seguito dall’applicazione di routine di ottimizzazione che hanno indicato diversi colli di bottiglia nel processo nelle nostre colture. Il sostegno finanziario negli ultimi dieci anni ci ha ora permesso di progettare l’attenuazione di alcuni di questi colli di bottiglia indicati e di testare i prodotti su scala sul campo. Dopo anni di prove e tribolazioni, è meravigliosamente gratificante vedere un risultato così spettacolare per il team».