Agricoltura sostenibile attraverso le biotecnologie

PREFAZIONE

Nutrire la popolazione umana in modo sostenibile è uno dei problemi più importanti che le società sono chiamate ad affrontare nel XXI secolo. Fortunatamente il settore dell’agricoltura sta beneficiando dei progressi compiuti dalle biotecnologie negli ultimi trent'anni. Durante questo periodo la nostra conoscenza di come le piante crescono, si sviluppano e interagiscono con l’ambiente è notevolmente aumentata, e le conquiste ottenute e gli strumenti sviluppati grazie alle biotecnologie hanno considerevolmente cambiato le pratiche di miglioramento genetico e di costituzione varietale. In questo volume sono presentate le biotecnologie, ovvero i metodi di laboratorio utilizzati per migliorare le produzioni agrarie e aiutare gli agricoltori a nutrire la popolazione a livello mondiale. Tali metodi includono il sequenziamento dei genomi, l’identificazione di singoli geni e lo studio delle loro funzioni, le
piattaforme di caratterizzazione fenotipica, la selezione assistita da marcatori molecolari, l’associazione della manifestazione di caratteri con le variazioni nel DNA a livello genomico, la trasformazione genetica delle piante mediante l’inserimento di geni esogeni, la modifica specifica di sequenze nucleotidiche bersaglio con tecnologie come CRISPR-Cas9, e altro. 

È importante notare che il termine “ingegneria genetica” è usato solo per descrivere l’introduzione di un gene estraneo (spesso di origine batterica) in una pianta al fine di conferire alla stessa una nuova caratteristica. Inoltre, è usato letteralmente il termine “modificazione genetica” – poiché tutte le specie coltivate sono state geneticamente modificate rispetto ai loro progenitori – e non è usato il termine colloquiale OGM (“organismo geneticamente modificato”) per descrivere le piante geneticamente modificate. Tutte le specie vegetali, così come tutte le specie animali, inclusi gli esseri umani, sono continuamente sottoposte a cambiamenti genetici nel corso del loro processo evolutivo. 

Millenni prima della nostra conoscenza della genetica, del DNA, della biochimica e della biologia molecolare, i nostri antenati hanno cominciato a modificare geneticamente piante. In effetti, i primi agricoltori hanno iniziato a scegliere le piante con caratteristiche specifiche e morfologicamente riconoscibili, così da facilitarne la coltivazione e l’utilizzazione come alimento. 

Nella veste di docenti, riteniamo che i libri di testo siano preziosi strumenti di insegnamento, soprattutto quando riuniscono insieme diversi filoni di conoscenza. Lo sforzo è stato quello di integrare diverse discipline scientifiche seguendo un approccio che è trasversale per i diversi argomenti trattati nei vari capitoli di questo libro. Si tratta di un approccio integrato particolarmente
importante a livello di laurea di primo livello.

Panoramica
Questo libro pone in evidenza che nutrire una moltitudine di persone, coltivando piante e producendo alimenti, è una sfida complessa. Molti studenti universitari sono cresciuti nelle città e non hanno idea della complessità dei processi di produzione di alimenti e dei numerosi problemi che emergono nella filiera tra campo (produttori) e tavola (consumatori). Ci auguriamo che gli
studenti, imparando a conoscere le sfi de associate alla produzione di alimenti, si interessino e si sentano coinvolti nella ricerca della soluzione del problema di nutrire in modo sostenibile la popolazione umana a livello mondiale. Il Capitolo 1 riguarda il passato, il presente e il futuro della popolazione umana e il suo rapporto con la produzione alimentare. In passato, le incertezze
della produzione alimentare hanno spesso portato all’insicurezza alimentare, e il futuro include nuove incertezze dovute soprattutto ai cambiamenti climatici. Tra gli scienziati che si interessano di agricoltura vi è accordo sul fatto che la via da percorrere sia quella di aumentare la produttività dei terreni agrari e di farlo secondo la logica della sostenibilità, riducendo l’impatto dell’agricoltura sull’ambiente. 

Il Capitolo 2 affronta i cambiamenti avvenuti in agricoltura negli ultimi 10.000 anni e che continuano ancora oggi. L’agricoltura e gli alimenti che da questa derivano svolgono un ruolo importante nei sistemi economici di tutti i Paesi. I sistemi agricoli in diverse regioni del mondo differiscono per la loro produttività, e nel mondo moderno le scoperte scientifiche e tecnologiche sono responsabili di molte di queste differenze. Il Capitolo 3 riguarda gli alimenti non dal punto di vista della produzione agraria, ma dal punto di vista della nutrizione umana. Viene descritta la biochimica nutrizionale in termini di alcune molecole molto comuni, come
carboidrati, grassi, proteine e vitamine. Oltre ad essere la fonte principale di tutto il nostro cibo, le piante contengono anche molecole non nutritive che agiscono contro altri organismi, difendendo le piante dagli erbivori o attirando gli impollinatori. In che modo queste molecole influenzano il nostro organismo e i microorganismi del nostro tratto intestinale? Il Capitolo 4 considera la biologia di base, che è il fondamento del miglioramento delle piante coltivate, descrivendo la genetica formale e la biologia molecolare. La conoscenza degli acidi nucleici, DNA e RNA, e della sintesi proteica è necessaria per comprendere i geni e come/quando/dove sono espressi, un prerequisito fondamentale per il miglioramento genetico delle piante. Il Capitolo 5 descrive la struttura e la funzione delle cellule e degli organi nei vegetali e come si sviluppa un’intera pianta da una singola cellula uovo fecondata. 

Viene data una notevole enfasi allo sviluppo del seme perché la maggior parte degli alimenti che mangiamo, nella loro essenza, sono ricavati dai semi, come ad esempio di riso, frumento e mais, o dai semi di legumi, come soia, pisello e fagioli. Inoltre sono affrontati anche la coltivazione di piante rigenerate da singole cellule attraverso la coltura in vitro e il ruolo che questa tecnica
riveste per la micropropagazione e le applicazioni di ingegneria genetica. 

La fotosintesi è la base di tutta la vita sulla Terra e il Capitolo 6 è dedicato a questo argomento. La crescita e lo sviluppo delle piante così come le produzioni vegetali sono limitati dalla fotosintesi e quindi la comprensione della chimica di base di questo processo è importante per l’ottenimento di alimenti. In effetti, l’aumento della produttività delle colture può dipendere in parte dalla nostra capacità di rendere più efficienti i processi biochimici della fotosintesi. 

Acquisita la scienza di base, i capitoli successivi si occupano delle colture agrarie, del loro miglioramento genetico e dell’ottenimento di raccolti migliori da parte degli agricoltori. Il Capitolo 7 affronta la domesticazione delle specie coltivate, esaminando come e dove le colture moderne si sono originate ed evolute da forme selvatiche. Il Capitolo 8 descrive la coltivazione delle piante, in particolare quelle in cui si eseguono gli incroci e si costituiscono le varietà, cioè popolazioni di piante con specifiche caratteristiche che sono desiderabili per l’ottenimento di alimenti, mangimi, fibre e carburante. 

Vengono esplorati i concetti di ibridazione e selezione, così come i metodi molecolari utili per accelerare la selezione delle piante nelle popolazioni sperimentali, inclusa la selezione genomica assistita da marcatori molecolari e la valutazione genetica/predizione fenotipica ad alta efficienza delle progenie. 

Entrambi i capitoli enfatizzano il concetto di variabilità genetica e la sua importanza nell’evoluzione accelerata – cambiamenti delle caratteristiche delle di agricoltori di sussistenza che coltivano solo pochi ettari ciascuno e l’aumento della loro produttività è una chiave fondamentale per eliminare il rischio di non avere cibo a sufficienza. Il Capitolo 19 mette in evidenza i contributi che queste piccole aziende agrarie apportano alla produzione di alimenti per la popolazione umana. Quali sono i problemi specifici dell’aumento della produttività e dell’affidabilità delle piccole aziende agrarie e come possono essere affrontati questi problemi in modo sostenibile? 

Per secoli, vari composti chimici prodotti dalle piante sono stati usati come farmaci e stimolanti. Con l’aumento della domanda di questi composti, la raccolta di materie prime da piante che crescono in natura sta diventando meno fattibile a lungo termine e pertanto si sta affermando l’idea delle bio-fabbriche per la produzione di questi composti chimici. Due capitoli successivi analizzano gli impianti come vere e proprie piattaforme per la produzione specializzata di composti biochimici, di solito piccole molecole (Capitolo 20), e di composti biologici, come i composti basati su grandi molecole quali le proteine terapeutiche (Capitolo 21). Si tratta di settori in rapido sviluppo, esterni all’agricoltura convenzionale e alla produzione alimentare, ma che rientrano comunque nel sistema più ampio della sostenibilità. 

L’ultimo capitolo, il Capitolo 22, riassume ciò che si auspica possa succedere al fine di nutrire la popolazione e al contempo salvaguardare l’ambiente, in un contesto di agricoltura sostenibile. 

Ringraziamenti
Ringraziamo le molte persone che hanno reso possibile questo libro, in particolare gli autori, che hanno contribuito alla stesura dei capitoli e che hanno risposto con tanto entusiasmo alla nostra richiesta di sintesi unica, chiara e aggiornata dei vari e importanti argomenti. Questo è il loro libro. Ringraziamo anche coloro che ci hanno inviato materiale fotografico e grafico da includere nel libro. In particolare, ringraziamo i colleghi che ci hanno dedicato il loro tempo per rileggere e revisionare i capitoli, fornendoci suggerimenti e spunti per migliorarne i contenuti. 

Le illustrazioni sono considerate un punto di forza dei moderni libri di testo scientifici, apprezziamo pertanto gli sforzi del fotografo Mark Siddall e del grafico Jan Troutt per il notevole contributo fornito al programma illustrativo del libro. Ringraziamo anche Michele Beckta per il suo lavoro poderoso di verifica delle fonti bibliografi che e di ottenimento delle autorizzazioni per l’utilizzo del materiale illustrativo. Siamo grati a Chris Small, Beth Roberge Friedrichs e all’intero gruppo di produzione di Sinauer/Oxford per la
professionalità e la meticolosità con cui hanno svolto il loro lavoro. Generalmente i ricercatori scientifici non sono abituati a scrivere testi per gli studenti e pertanto siamo molto grati a David Sadava e Hanya Chrispeels per il loro aiuto volto a trasformare ciò che noi curatori abbiamo scritto insieme agli altri autori, rendendo i contenuti del libro accessibili a qualsiasi lettore motivato e con qualunque grado di conoscenza scientifica. Tuttavia, i riconoscimenti più importanti vanno a Carol Wigg, editore eccezionale di Sinauer/ Oxford: la sua diligenza e bravura hanno superato di molto ciò che chiunque scriva un libro come questo può aspettarsi da un editore. E se questo libro sarà apprezzato, si dovrà ringraziare soprattutto Carol Wigg. Infine, ringraziamo Rachel Meyers e Andy Sinauer per averci dato fiducia e aver creduto che avremmo potuto fornire un prodotto di qualità. 

Maarten Chrispeels
La Jolla, California
Paul Gepts
Davis, California