Appunti di Salvaguardia e Valorizzazione della Biodiversità Vegetale prof. Pavan

Salvaguardia e valorizzazione della biodiversità vegetale

Biodiversità

Definizioni

Esistono due principali definizioni di specie:

• Definizione morfologica, secondo cui la specie è costituita da individui morfologicamente più simili fra loro di quanto non siano con altri gruppi di individui. Questa si presta ad interpretazioni soggettive;
• Definizione biologica, secondo cui la specie è un insieme di popolazioni in grado di dare progenie illimitatamente feconda e che non si incrociano con organismi di altre specie.

In generale, la definizione più corretta e generalmente accettata è quella biologica, ma per il mondo vegetale vi sono le dovute eccezioni, in quanto:

• In natura avvengono rari casi di incrocio fra organismi di specie diversa e da tali incroci si ottiene progenie feconda (l'incrocio interspecifico è infatti un meccanismo evolutivo molto importante);
• L'uomo a volte può superare le barriere riproduttive interspecifiche andando a incrociare artificialmente individui di specie diverse;
• Si può avere isolamento riproduttivo anche entro una popolazione teoricamente interfertile.

Si definisce la biodiversità come ogni tipo di variabilità tra gli organismi viventi, compresi, tra gli altri, gli ecosistemi terrestri, marini e acquatici e i complessi ecologici di cui essi sono parte. Comprende la diversità intraspecifica (entro specie), interspecifica (tra specie) e tra ecosistemi. È il risultato della variabilità genetica degli organismi e dell'interazione di essa con l'ambiente. La diversità genetica costituisce l'output, il risultato del processo evolutivo, sia esso naturale o condizionato dall’uomo.

Miglioramento genetico e risorse genetiche agrarie

Le risorse genetiche agrarie (biodiversità agraria) corrispondono alla biodiversità all’interno e tra le specie utilizzate in agricoltura (o utilizzabili attraverso l’opera di miglioramento genetico) dall’uomo ad esempio per l’impiego di nuove colture in agricoltura. La definizione non è rigidissima, in quanto la biodiversità può cambiare.

Il miglioramento genetico è l'arte e la scienza di dirigere artificialmente il processo evolutivo di popolazioni di specie coltivate, col fine ultimo di ottenere nuove varietà. Contrariamente alla percezione pubblica, che lo identifica con gli OGM, il miglioramento genetico ha un ruolo fondamentale per l'umanità. L'evoluzione è il cambiamento nel tempo delle caratteristiche genetiche di una popolazione.

La varietà è un insieme di piante coltivate della stessa specie, chiaramente distinte per caratteri morfologici, fisiologici, citologici, chimici o molecolari che, quando propagate secondo le vie indicate dal costitutore, conservano i loro caratteri distintivi. Quindi specie e varietà sono due cose differenti. È importante la relazione fra evoluzione, miglioramento e varietà. L’evoluzione presuppone che ci sia variabilità genetica. È chiaro che in presenza limitata o nulla di risorse genetiche, anche la possibilità di miglioramento genetico è limitata o nulla.

Il miglioramento genetico è indispensabile per soddisfare le esigenze dell’uomo; ad esempio può essere impiegato in un’ottica di agricoltura sostenibile per ottenere piante resistenti ad avversità, evitando l’uso di agrofarmaci. Inoltre, grazie al miglioramento genetico, possono ottenersi rese maggiori, come ad esempio è avvenuto con l’introduzione degli ibridi di mais, con rese triplicate fra gli anni ’50 e 2000.

In definitiva, gli obiettivi principali del miglioramento genetico vegetale riguardano:

• Produttività (incrementi di resa);
• Qualità nutrizionale, merceologica e tecnologica (attitudine alla trasformazione);
• Adattabilità a stress abiotici e biotici (che porta anche a un aumento della produttività);
• Efficienza di utilizzazione di acqua e nutrienti (risparmio di H₂O e concimi);
• Insensibilità al fotoperiodismo;
• Fissazione azotata;
• Architettura della pianta (accrescimento determinato) e meccanizzazione;
• Eliminazione di composti tossici (biorimediazione, ossia bonifica delle zone inquinate grazie alle piante);
• Fenologia modificata (in risposta ai cambiamenti climatici);
• Produzione di bioenergia.

In passato la selezione era rivolta a ottenere ottime rese ma con apporti ottimali di input energetici; ciò ha portato a una situazione in contrasto con il concetto di sostenibilità pertanto, attualmente, è importante ottenere alte rese con apporti di input energetici ridotti al minimo.

Rispetto a una specie coltivata le risorse genetiche possono essere classificate usando il concetto di pool genico. Il pool genico è l’insieme dei geni in una popolazione naturale o coltivata. Esistono risorse genetiche appartenenti a quattro pool genici:

• Pool genico primario (GP1), comprendente le risorse genetiche di facile incrocio con la specie coltivata (risorse intraspecifiche, appartenenti alla stessa specie o al progenitore selvatico). Il GP1 comprende varietà moderne o cultivar ottenute da breeder professionisti che applicano principi scientifici; varietà locali o landraces ossia genotipi selezionati in un determinato areale da agricoltori secondo metodologie pre-scientifiche, adattate a particolari ambienti e a tradizionali tecniche di coltivazione; ecotipi ossia popolazioni evolutesi unicamente in risposta all’ambiente; stock genetici speciali ottenuti artificialmente da specie coltivate, per mutagenesi sperimentale o ingegneria genetica, partendo da genotipi appartenenti alle categorie precedenti e materiale di miglioramento genetico (es. linee resistenti a malattie).
• Pool genico secondario (GP2), comprendente il germoplasma di individui che possono incrociarsi con la specie coltivata, con bassa probabilità di successo e ottenendo progenie in genere non fertile. Solitamente sono specie selvatiche affini a quelle coltivate utilizzabili per il miglioramento.
• Pool genico terziario (GP3), comprendente risorse genetiche che caratterizzano generi diversi, molto difficilmente incrociabili con la specie del GP1.
• Pool genico quaternario (GP4), comprende risorse genetiche che non possono essere trasferite mediante incrocio alla specie coltivata; questi geni, che costituiscono il resto della biodiversità, possono essere trasferiti solo con l’ingegneria genetica.

La definizione di biodiversità costituente le risorse genetiche è complicata da due fattori: specie oggi non coltivate potrebbero esserlo in futuro; attualmente si possono trasferire geni senza compatibilità sessuale, attraverso l’ingegneria genetica (concetto di GP4). Ovviamente, data una specie coltivata, i più importanti per il miglioramento genetico sono GP1 e GP2.

Processi evolutivi alla base della biodiversità

Innanzitutto è bene ricordare alcuni concetti di base:

• Con n si intende il numero cromosomico gametico (e del gametofito), detto anche numero cromosomico aploide; il gametofito è la struttura che porta i gameti;
• Con 2n si intende il numero cromosomico sporofitico (numero cromosomico delle cellule somatiche);
• Con x si intende il numero cromosomico di base o monoploide, ossia il numero di cromosomi non omologhi che nell’insieme formano un assetto completo; l’assetto completo è dunque l’insieme dei cromosomi non omologhi di un organismo;
• Nelle specie diploidi 2n=2x; si tratta di specie in cui lo sporofito ha un numero di assetti cromosomici completi pari a due. I gameti di queste specie sono aploidi e allo stesso tempo monoploidi. La quasi totalità delle specie animali e molte specie vegetali sono diploidi;
• Le specie per cui lo sporofito ha un numero di assetti cromosomici completi superiore a due (2n=3x, 2n=4x, 2n=6x) sono dette poliploidi (triploidi, tetraploidi, esaploidi, ecc.). I gameti di queste specie sono aploidi e, a seconda dei casi, allo stesso tempo diploidi, triploidi, ecc.). Diverse specie vegetali sono poliploidi;
• Le specie 2n=x, ossia in cui lo sporofito ha un solo assetto cromosomico, sono dette monoploidi e sono molto rare nel mondo vegetale.

La variabilità genetica e quindi le risorse genetiche naturali sono generate da due tipologie di processi evolutivi:

• Mutazioni, ossia cambiamenti a livello della sequenza di DNA;
• Ricombinazioni, ossia incroci intra e interspecifici.

Esistono diverse tipologie di mutazioni:

• Mutazioni puntiformi (SNP); riguardano una singola base del nucleotide (Single Nucleotide Polymorphism); avviene un cambiamento in una singola posizione cromosomica (locus). Possono essere geniche o non geniche; somatiche (verificatesi in una cellula somatica come avviene per il cancro) o germinali (verificatesi in cellule germinali e quindi trasmesse alla generazione successiva, importanti per l’evoluzione).
• Possono essere delle sostituzioni (es. T per C) di tre diverse tipologie; missenso, ossia con cambiamento dell’amminoacido codificato; non senso, ossia con determinazione di un codone di stop; silenti, che non determinano cambiamenti di amminoacido codificato. Possono essere transizioni (scambio di purina per purina o pirimidina-pirimidina) o trasversioni (scambio di purina per pirimidina).
• Le mutazioni puntiformi possono inoltre essere inserzioni o delezioni, spesso con ordine di lettura sul ribosoma alterato (frameshift); il codice genetico è continuo e a triplette, quindi inserendo o togliendo una base, cambia la frameshift (ordine dei codoni) e si perde la funzionalità del gene;
• Piccole variazioni cromosomiche; si tratta di piccole inserzioni o delezioni al massimo di 1000 paia di basi (ovviamente > 1 bp, altrimenti si tratta di SNP). Sono mutazioni a regioni microsatelliti se caratterizzate da unità da 2 a 5 paia di basi ripetute più volte. Sono mutazioni a regioni minisatelliti se caratterizzate da unità da 6 a 100 paia di basi ripetute più volte. In entrambi i casi si hanno diverse ripetizioni dell’unità;
• Mutazioni cromosomiche strutturali (grandi); si dicono submicroscopiche se inferiori a 3 milioni di basi e microscopiche se superiori. Si tratta di cambiamenti importanti della struttura o del numero di cromosomi dello sporofito.

Nella struttura si possono avere delezioni e duplicazioni (per più di 1000 bp, dette anche mutazioni del numero di copie); inversioni (che provocano un cambio di orientamento del segmento cromosomico); traslocazioni (che provocano un cambiamento della localizzazione di un frammento cromosomico).

Per quanto riguarda le mutazioni del numero di cromosomi, si possono avere:

• Aneuploidia, con il numero dei cromosomi dello sporofito che non è multiplo del numero di cromosomi del gametofito (n); ad es. 2n-1 (monosomia), 2n+1 (trisomia), doppi monosomici, nullisomici, ecc; in questo caso eventi di non disgiunzione alle meiosi I e II portano tipicamente a gameti con numeri cromosomici sbilanciati;
• Monoploidia, con lo sporofito che ha soltanto un assetto cromosomico; individui monopolidi possono essere originati da uova non fecondate.
• Poliploidia, con lo sporofito che ha più di due assetti cromosomici. Individui poliploidi possono originarsi per mancanza di citocinesi in prima o seconda divisione meiotica (con formazione di un unico nucleo detto di restituzione) o per non disgiunzione mitotica di interi assetti cromosomici; si può avere autopoliploidia, con più assetti cromosomici derivanti dalla stessa specie; allopoliploidia, con più assetti cromosomici derivanti da diverse specie, anche se affini.

Fra le specie coltivate, sono poliploidi frumenti, patata, tabacco, erba medica, fragola, banano, ecc.; per quanto riguarda la patata (S. tuberosum), esistono due ipotesi; la più probabile è che sia un’autotetraploide ottenuta da S. stenotomum; la meno probabile è che sia un’allotetraploide fra S. stenotomum e S. sparsipilum.

Origine delle risorse genetiche

Le risorse genetiche vanno via via esaurendosi e c’è dunque una necessità di reperirle e salvaguardarle. Per ogni specie esistono zone in cui vi è massima biodiversità e si tratta generalmente di quelle aree in cui la specie si è evoluta.

Negli anni ’20 Nicolai Vavilov individuò otto regioni in cui è concentrata la variabilità genetica per le specie agrarie, definite centri di diversità. Propose che questi centri coincidessero con i centri di origine del progenitore selvatico e di domesticazione della specie coltivata. Riconobbe inoltre che spesso per una data specie esistono dei centri di diversità secondari, corrispondenti alle zone in cui la specie ha avuto il tempo di evolvere nuove variabilità in risposta ai nuovi agroecosistemi. Per riconoscere un centro di diversità primario è indicativa la presenza di specie selvatiche affini; ad esempio, per il pomodoro la biodiversità utile si trova in Centro America.

Erosione genetica

L’erosione genetica è la restrizione del pool genico di una specie (GP1) e quindi della sua variabilità genetica. Le attività antropiche hanno aumentato esponenzialmente il ritmo dell’erosione. Annualmente sono tantissime le specie che si estinguono. L’erosione genetica coinvolge numerosissime specie vegetali, comprese quelle immediatamente riconoscibili come risorse genetiche. Determina, fra l’altro, l’impossibilità (o comunque gravi difficoltà) nel far fronte a future esigenze dell’umanità. Pertanto c’è un impellente bisogno di programmi mirati alla salvaguardia e alla valorizzazione delle risorse genetiche. Una volta persa la biodiversità risultato di migliaia di anni di evoluzione, è impensabile ricostruirla, anche utilizzando strumenti di biotecnologia avanzata.

Le principali cause di erosione genetica di specie non coltivate sono:

• Perdita di habitat, ad esempio per deforestazione, urbanizzazione, ecc.;
• Inquinamento e cambiamenti climatici;
• Eccessivo sfruttamento di alcune specie selvatiche;
• Introduzione di specie aliene; ad es. andando a sostituire con specie diverse la coltivazione di specie locali o tipiche del territorio, a scapito di queste ultime.

Chiaramente una specie coltivata ha una variabilità genetica molto ridotta rispetto alla specie selvatica da cui deriva. Questo tipo di erosione genetica è stato determinato da tre fenomeni: domesticazione; attività moderne di miglioramento genetico; dispersione dai centri di origine e diversificazione. In tutti e tre i casi l’uomo, con un processo di selezione, ha portato a un impoverimento del GP. La domesticazione è il processo evolutivo operato dall’uomo su specie selvatiche, di selezione per la costituzione di specie coltivate più adatte a soddisfare le proprie esigenze. La domesticazione rende le specie inadatte alla reintroduzione in condizioni naturali. I primi eventi di domesticazione risalgono a 10 mila anni fa, col passaggio dell’uomo da raccoglitore ad agricoltore. Continuamente vengono domesticate nuove specie con conseguente selezione.

La selezione operata dall’uomo con la domesticazione ha riguardato generalmente gli stessi aspetti e pochi geni (sindrome di domesticazione): aumento delle dimensioni di semi e frutti; mancata dispersione dei semi (es. baccelli delle leguminose che restano chiusi ma in natura si aprirebbero); habitus di crescita determinato (riduzione della taglia con diminuzione della biomassa totale rispetto a quella edibile; facilitazione raccolta meccanica); minor numero di ramificazioni e fiori; ridotta dormienza dei semi; cicli biologici ridotti (es. produzione anticipata); fotoperiodo e vernalizzazione alterati; riduzione dei meccanismi e composti di difesa (spine, sostanze velenose, ecc.).

Come già visto il miglioramento genetico è l'arte e la scienza di dirigere artificialmente il processo evolutivo di popolazioni di specie coltivate, col fine ultimo di ottenere nuove varietà (evoluzione artificiale). Così come per la domesticazione, anche nel miglioramento genetico è insito un processo di selezione che provoca erosione genetica. Con il miglioramento genetico si è avuta l’affermazione di poche varietà coltivate, per giunta composte da individui geneticamente identici (linee pure, ibridi F1, cloni) e la scomparsa di varietà locali un tempo molteplici e geneticamente eterogenee (si stima che l’80% delle antiche varietà italiane sia andato perduto); inoltre si è ottenuta una forte contrazione del pool genico di specie minori prima coltivate (es. gelso); ancora, la scomparsa di specie e varietà locali, ha determinato, oltre che la perdita di risorse genetiche, anche l’impoverimento e l’omogeneizzazione culturale con la scomparsa di tradizioni e culture locali, che sono risorse economiche importanti. Il 95% del cibo è ottenuto da sole 30 specie con frumento, riso e mais che forniscono il 60% delle calorie alimentari.

Si parla di paradosso del miglioramento genetico, in quanto questo ha sfruttato risorse genetiche permettendo lo sviluppo di varietà produttive e adattabili a diversi ambienti; ciò d’altra parte ha portato a una contrazione delle risorse genetiche a disposizione del miglioratore (breeder) per le future sfide. Sono comunque imprescindibili le attività di miglioramento genetico, ma sono indispensabili attività complementari ad esse mirate alla salvaguardia delle risorse genetiche.

Sia con la domesticazione che con la selezione, si ha erosione con consapevole riduzione del GP ai loci coinvolti nel processo di selezione e anche un’inconsapevole riduzione del GP ai loci non oggetto di selezione, in quanto questa ha coinvolto pochi individui (deriva genetica).

Per quanto riguarda la dispersione dai centri di origine, è chiaro che buona parte delle piante coltivate, originatesi in zone tropicali e subtropicali e successivamente introdotte in zone temperate, in questo passaggio e con il successivo miglioramento genetico, hanno...