Migliorata la fotosintesi con piante geneticamente ingegnerizzate. Entro quando aumenteranno i raccolti?

Migliorata la fotosintesi con piante geneticamente ingegnerizzate. Entro quando aumenteranno i raccolti?

Da quando Thomas Malthus emise la sua terribile predizione nel 1789 che la crescita della popolazione avrebbe sempre superato l’offerta di cibo, gli scienziati hanno lavorato per dimostrarlo in errore. Finora, hanno aiutato gli agricoltori a tenere il passo sviluppando varietà più grandi e migliori di colture e altre innovazioni agricole.

Da qualche tempo i ricercatori hanno avviato progetti sempre più audaci come riprogrammare le per rendere la fotosintesi più efficiente. E sembra che stia funzionando. Secondo un studio apparso Science e ripreso dal Los Angeles Times all’inizio dell’anno, le piante di tabacco geneticamente modificate per ottimizzare la fotosintesi hanno superato in crescita quelle non modificate fino al 40%.

“Per soddisfare a livello globale la domanda di cibo per la crescente popolazione” si legge nello studio “è necessario migliorare la produttività delle colture e ottenere grandi guadagni attraverso il miglioramento dell’efficienza fotosintetica. La fotosintesi richiede la carbossilazione del ribulosio-1,5-bisfosfato (RuBP) da parte della ribulosio-1,5-bisfosfato carbossilasi-ossigenasi (RuBisCO), ma la fotorespirazione avviene nella maggior parte delle piante – come soia, riso e grano (note come colture C3) – quando RuBisCO ossigena il RuBP, richiedendo una costosa lavorazione di sottoprodotti tossici come il glicolato. La fotorespirazione può ridurre l’efficienza fotosintetica delle colture C3 del 20-50%. Sebbene esistano varie strategie per ridurre i costi della fotorespirazione, piante da camera e in serra con percorsi fotorespiratori alterati all’interno del cloroplasto hanno mostrato risultati promettenti, tra cui un aumento dei tassi fotosintetici e delle dimensioni delle piante”.

Gli scienziati si stanno concentrando sulla fotosintesi perché offre una delle poche opzioni rimanenti per aumentare drasticamente i raccolti contenendo i costi. Gli allevatori di piante hanno già selezionato varietà vigorose che producono più di ciò che vogliamo mangiare – siano foglie, frutta, radici o semi – quando coltivati in condizioni ideali. “Abbiamo davvero bisogno di essere in grado di manipolare la fotosintesi, perché è davvero tutto ciò che è rimasto”, ha detto il biologo vegetale Donald Ort dell’Università dell’Illinois a Urbana-Champaign, l’autore senior dello studio su Science.

Nonostante la sua capacità di costruire sequoie gigantesche e vaste barriere coralline, la fotosintesi è un processo abbastanza inefficiente. Solo una piccola frazione di luce disponibile viene utilizzata per produrre zuccheri e altri carboidrati. “Il sistema fotosintetico si è evoluto per essere molto flessibile, piuttosto che completamente ottimale”, ha detto Christine Foyer, un’altra autrice dello studio “C’è stato un compromesso.” Parte del problema sembra essere legato al fatto che le piante impiegano molta energia per compensare un “bug” nel loro sistema operativo che coinvolge un enzima chiamato RuBisCO il cui compito è quello di prendere le molecole di anidride carbonica e mandarle lungo la catena di montaggio.

Il processo ha funzionato benissimo quando la fotosintesi si è evoluta per la prima volta miliardi di anni fa, perché nell’atmosfera non c’era ossigeno, ma una volta costruito – grazie, ovviamente, al plancton fotosintetico – RuBisCO ha iniziato a legarsi al gas errato per sbaglio. Il composto risultante non era solo inutile, ma tossico. Quindi le piante dovevano trovare un modo per convertirlo in qualcosa di sicuro e funzionale. Secondo il dottor Ort ha detto, “il modo in cui le piante hanno scelto di fare risulta essere molto complesso e molto energivoro”. La soluzione di questo “bug” prevede lo spostamento della molecola indesiderabile al di fuori del cloroplasto, dove avviene la fotosintesi, e in un altro organello chiamato perossisoma e da lì entra nei mitocondri prima di ripercorrere il percorso verso il cloroplasto in uno stato più tollerabile. Questo processo macchinoso, noto come fotorespirazione, consuma parte dell’energia che la pianta ha già immagazzinato come zucchero e riduce i raccolti del 20% al 50%. “Quel fissaggio di un ossigeno è davvero come anti-fotosintesi”, ha detto Ort e il suo team ha deciso di aggiornare l’algoritmo di fotorespirazione.

I ricercatori hanno utilizzato piante di tabacco – apparentemente più facili da lavorare di altre- e hanno inserito nuovi geni nel loro DNA che hanno creato una scorciatoia per elaborare il composto indesiderato. Hanno provato tre alternative, due delle quali erano state sviluppate da altri scienziati. I ricercatori hanno anche messo a tacere un gene per impedire alla molecola di lasciare il cloroplasto in primo luogo. “È davvero un pezzo di ingegneria molto, molto complesso”, ha detto la Foyer.

La modifica però pare che abbia funzionato a meraviglia. Negli esperimenti in serra le piante ingegnerizzate producono quasi il 25% in più di biomassa rispetto alle loro controparti inalterate. Le prove sul campo – il vero banco di prova per testare nuove colture – hanno avuto risultati ancora migliori, con alcune piante che producono i loro parenti del 40%! Le piante giovani crescevano più velocemente e aumentavano la loro area fogliare, che permetteva loro di fotosintetizzare ancora di più. I ricercatori hanno iniziato a fare gli stessi cambiamenti nelle colture alimentari come soia, fagioli e patate prevedendo risultati simili anche se colture come mais e canna da zucchero hanno un modo diverso di fissare il carbonio quindi non potranno produrre risultati simili.

Il team di Ort sta anche collaborando con un altro gruppo dell’Università dell’Illinois che ha progettato le piante di tabacco per utilizzare più luce, con un conseguente aumento del 15% della produttività. “Siamo ora nel processo di ciò che chiamiamo impilare questi due tratti”, ha detto Ort al LA Times. I modelli suggeriscono che i benefici si sommeranno aumentando la produttività di oltre il 50% ma occorre poter sperimentare in campo aperto.

Entrambi gli sforzi sono il frutto del progetto RIPE, acronimo per “Realizzare una maggiore efficienza fotosintetica” che vuole aumentare i raccolti e combattere l’insicurezza alimentare. (L’iniziativa da 70 milioni milioni di dollari ha ottenuto gran parte dei suoi finanziamenti dalla Fondazione di Bill e Melinda Gates e richiede che qualsiasi coltura sviluppata attraverso il programma sia resa accessibile agli agricoltori di tutto il mondo).

Oggi, i coltivatori riescono ancora a spremere più cibo da ogni acro di terra utilizzando colture più produttive e fornendo loro un sacco di nutrienti e acqua, ma i guadagni sono diminuiti solo dall’1% al 2% all’anno, e alcuni scienziati si aspettano che la tendenza potrebbe invertirsi a causa dei cambiamenti climatici. Tutto ciò renderà difficile affrontare le sfide che dovremo affrontare nei prossimi decenni: coltivare abbastanza cibo per alimentare circa 9,7 miliardi di persone entro il 2050 senza distruggere il pianeta.

Se la prima rivoluzione verde è riuscita a incrementare drasticamente la produzione alimentare, il maggiore uso di fertilizzanti e pesticidi, l’inquinamento delle acque, il degrado del suolo e la sua erosione, oltre che naturalmente uno smodato investimento in monocolture hanno complicato notevolmente la vita del pianeta. Per il futuro gli scienziati stanno studiando modi per per produrre più cibo sulla stessa quantità di terra e utilizzando meno risorse. Una delle soluzione possibile potrebbe essere quella dello Studio del Professor Ort per garantire che le piante sfruttino al massimo ciò che hanno internamente, i ricercatori dovranno adesso valutare se il nuovo tratto fotosintetico persiste tra generazioni e se rende le piante più o meno suscettibili a fattori di stress ambientale come la siccità.

Le colture geneticamente modificate rimangono controverse, specialmente in Europa e in Africa, dove molti paesi proibiscono gli OGM il potenziale di queste nuove colture dipenderà in buona parte anche da eventuali modifiche legislative. Gli scienziati ricordano come occorrano dai 12 ai 15 anni affinché un nuovo raccolto passi dal laboratorio ai campi degli agricoltori, il che significa che se il team del Professor Ort riuscirà a sviluppare varietà più efficienti, queste saranno sulle nostre tavole alla metà degli anni ’30. Secondo uno studio pubblicato nell’aprile del 2017 su BioScience la produzione alimentare dei prossimi 30 anni dovrà aumentare dal 25% al 70% per soddisfare la crescente domanda.

Gli esperimenti devono poter andare avanti nell’interesse dell’umanità intera.

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