La riattivazione della fotorespirazione potrebbe aumentare la produttività delle colture
Le piante usano la fotosintesi per convertire la luce solare e la CO2 in zuccheri e biomassa. L’enzima chiave coinvolto, rubisco, può reagire con l’ossigeno invece che con la CO2, innescando un processo dispendioso noto come fotorespirazione, che consuma energia e rilascia nuovamente nell’atmosfera la CO2 precedentemente fissata, riducendo considerevolmente l’efficienza fotosintetica e la produttività delle colture, soprattutto nei climi caldi e secchi. Il progetto GAIN4CROPS(si apre in una nuova finestra), finanziato dall’UE, si è proposto di riprogettare questo processo inefficiente. Per farlo, ha indagato strategie naturali e sintetiche per ridurre la perdita di carbonio, creando “pompe di carbonio” più efficienti e vie metaboliche sintetiche. Queste strategie potrebbero migliorare la produttività delle colture e l’efficienza nell’uso delle risorse, promuovendo un’agricoltura più sostenibile.
Gli strumenti sperimentali e teorici generano svolte nelle prove di concetto
La maggior parte delle piante, compresi tutti gli alberi, sono piante cosiddette C3, che non hanno la capacità di mitigare la fotorespirazione. Le piante C4, più comuni negli habitat caldi, hanno percorsi specifici per ridurla al minimo. Il progetto GAIN4CROPS ha scelto di studiare il girasole, una coltura europea economicamente rilevante per la produzione di alimenti, mangimi e olio. Nonostante il girasole sia tipicamente una pianta C3, alcuni suoi parenti selvatici sono intermedi C3-C4 e offrono indizi preziosi su come l’evoluzione ha affrontato il problema della fotorespirazione. Combinando genomica, biologia sintetica e ingegneria metabolica, il progetto ha sviluppato vie alternative sintetiche della fotorespirazione che riducono la perdita di carbonio e ne ha introdotte alcune nella pianta modello Arabidopsis. «In tal modo sono migliorati la crescita e l’accumulo di biomassa: una prova di concetto rivoluzionaria, a dimostrazione che la riprogettazione dei processi metabolici fondamentali è biologicamente fattibile», spiega il coordinatore del progetto Andreas Weber, dell’Università Heinrich Heine di Düsseldorf(si apre in una nuova finestra). Il progetto ha anche generato ampie serie di dati genomici e trascrittomici di singole cellule e singoli nuclei di parenti del girasole e di intermedi C3-C4, solo alcune delle molte risorse prodotte su una scala più ampia di quanto inizialmente previsto. Tali dati hanno permesso di avere una panoramica senza precedenti del controllo genetico e dell’organizzazione spaziale della fotosintesi. «I modelli computazionali simulano il metabolismo fotosintetico del carbonio e prevedono il comportamento delle vie ingegnerizzate all’interno delle cellule vegetali. Questi modelli di riferimento consentono al gruppo di ricerca di valutare nuove strategie e di confrontare l’efficienza delle vie prima di eseguire esperimenti molto lunghi. Grazie a essi, la progettazione dei percorsi è più predittiva, scalabile ed efficiente», osserva Weber.
Le difficoltà nel mettere in pratica la scienza della trasformazione delle colture
Se da un lato GAIN4CROPS ha dimostrato le grandi potenzialità della trasformazione delle colture per aumentarne la produttività, dall’altro «ha evidenziato le difficoltà tecniche e il tempo necessario per tradurre le scoperte scientifiche in applicazioni agricole reali. In tutta Europa c’è l’urgente necessità di aumentare il numero di impianti di trasformazione delle colture condivisi e accessibili», aggiunge Weber. Attraverso un webinar(si apre in una nuova finestra) congiunto con EU-SAGE (European sustainable agriculture through genome editing) e Reimagine Europa, il progetto ha discusso delle nuove tecniche genomiche, dell’ingegneria fotosintetica e delle incertezze normative. In particolare, gli interventi hanno messo in evidenza la necessità di una regolamentazione proporzionata e basata sulla scienza per sostenere una traduzione responsabile della scienza vegetale nella pratica.
La trasformazione delle colture come fattore chiave per la produttività dei raccolti
«Le colture che perdono meno carbonio attraverso la fotorespirazione potrebbero avere rese più alte, perché userebbero in modo più efficiente l’acqua, le sostanze nutritive e il terreno. Questo potrebbe aiutare l’agricoltura ad adattarsi ai cambiamenti climatici, riducendo al contempo le pressioni ambientali», osserva Weber. Tuttavia, per passare da esperimenti isolati di prova di concetto a un approccio realmente scalabile e traslazionale all’ingegneria delle colture sarà necessario un approccio multidisciplinare. Il progetto GAIN4CROPS ha mostrato le possibilità legate alla sua attuazione. Gli strumenti, i set di dati e le strategie di ingegneria sviluppati nel corso di GAIN4CROPS possono essere sfruttati non solo per il girasole, ma anche per applicazioni più ampie, per migliorare le principali colture alimentari e bioenergetiche in tutto il mondo.
