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UNA RETE EUROPEA DI BANCHE DEI SEMI
A European network of seed banks
di Patrizia Vaccino
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Consiglio per la ricerca in agricoltura e l’analisi dell’economia agraria CREA-CI, Vercelli
Genebanks, the collection of seeds from different species, are “treasure chests” of genetic information. Nevertheless, the true potential of the stored resources for breeding and research often remains unknown. The AGENT (Activated GEnebank NeTwork) project aims to unlock such potential, by establishing a longterm network of actively cooperating gene banks and converting them from passive seed repositories into active digital resource centres, easily accessible to all the stakeholders. Coordinated by Prof. Dr. Nils Stein from the IPK in Gatersleben, Germany, the project comprises 19 institutions, including the Research Centre for Cereal and Industrial Crops of CREA, as the only Italian partner. The research is focussed on barley and wheat, but the data management processes that will be generated may be applied to other plant collections in the future.
IL CREA, UNICO PARTNER ITALIANO, PARTECIPA AL PROGETTO AGENT STUDIANDO UNA COLLEZIONE DI 1.000 VARIETÀ DI FRUMENTO TENERO CREA, THE ONLY ITALIAN PARTNER TAKING PART IN THE PROJECT AGENT BY STUDYING A COLLECTION OF 1,000 SOFT WHEAT VARIETIES
© Foto: P. Vaccino
Le banche del germoplasma, ovvero le raccolte dei semi delle diverse specie, sono “scrigni” che contengono un vero tesoro di informazioni genetiche. Costituite sin dagli anni Venti del secolo scorso con l’intento di conservare la diversità genetica delle specie per le future generazioni, oggi nel mondo se ne contano più di 1.700, nelle quali sono conservate più di 7 milioni di accessioni (le singole entità presenti nelle banche dei semi).
Spesso, tuttavia, il potenziale genetico contenuto nelle banche rimane poco conosciuto e non fruibile ai più. Il progetto AGENT (Activated GEnebank NeTwork) ha l’obiettivo ambizioso di sbloccare tale potenziale, costituendo una rete europea di banche del germoplasma e trasformandole da “semplici” depositi di semi a centri attivi e altamente interconnessi di risorse digitali, facilmente consultabili da tutti gli interessati.
Il progetto
Coordinato dal professor Nils Stein dell’Istituto Ipk di Gatersleben in Germania, uno dei maggiori centri europei di ricerca sulle specie vegetali e che ospita la più vasta banca europea del germoplasma, il progetto è finanziato dall’Unione europea nell’ambito del programma Horizon 2020 con un budget di 7 milioni di euro e ha appena terminato il primo dei cinque anni di attività. AGENT vede la partecipazione di 19 istituti di ricerca internazionali (TABELLA) e il Centro di Ricerca di Cerealicoltura e Colture Industriali del CREA (CREA-CI) è l’unico partner italiano. La ricerca è focalizzata su orzo e frumento tenero, ma i processi di gestione dei dati che verran-
TABELLA ELENCO DEGLI ISTITUTI CHE PARTECIPANO AL PROGETTO AGENT
ISTITUTO
Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research, Gatersleben N.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic Resources, S. Pietroburgo Plant Breeding and Acclimatization Institute, Błonie Institute of Plant Genetic Resources, Sadovo Crop Research Institute, Praga Institute for Cereal Crops Improvement, Tel Aviv Centre for Agricultural Research, Martonvásár Instituto Nacional de Investigaction y Tecnologia Agraria y Alimentaria, Madrid Stichting Wageningen Research, Wageningen National Agricultural Research and Development Institute, Fundulea Narodne Polnohospodarske a Potravinarske Centrum, Lužianky Consiglio per la ricerca in agricoltura e l’analisi dell'economia agraria - Centro di ricerca Cerealicoltura e Colture Industriali Universitaet Zuerich, Zurigo EURICE European Research and Project Office GMBH, St. Ingbert International Centre for Agricultural Research in the Dry Areas Institut national de recherche pour l’agriculture, l’alimentation et l’environnement, Versailles Cedex Royal Botanic Gardens Kew International Plant Genetic Resources Institute (IPGRI), Roma Agroscope, Nyon
NAZIONE
DE RU PL BG CZ IL HU ES NL RO SK
IT
CH DE LB FR UK IT CH
no generati potranno essere applicati in futuro ad altre collezioni vegetali.
L’articolazione di AGENT
Il programma di ricerca è molto articolato e prevede lo studio del DNA, la cosiddetta caratterizzazione genotipica, in modo da costituire una sorta di carta d’identità molecolare di ogni varietà, della morfologia e della fisiologia delle accessioni (caratterizzazione fenotipica) presenti nelle collezioni. Tutto ciò per arrivare, con l’aiuto delle tecnologie bioinformatiche più avanzate, all’identificazione dei loci (regioni di DNA) responsabili di caratteri agronomici e qualitativi importanti, mediante quella che in gergo tecnico viene definita analisi di associazione su larga scala (Gwas - Genome Wide Association Study) e a modelli di predizione del valore agronomico
LO SCOPO È IDENTIFICARE I LOCI RESPONSABILI DEI CARATTERI AGRONOMICI E QUALITATIVI
attraverso la cosiddetta selezione genomica (GS - Genomic Selection). Uno degli aspetti che caratterizza il progetto è la numerosità della popolazione studiata: un totale di 6.700 accessioni di frumento tenero e 5.200 di orzo vanno a costituire la “collezione di precisione”. Ogni partner ha una parte di questa collezione, costituita dalle varietà tipiche del
ANALISI DI ASSOCIAZIONE (Genome wide association study - Gwas)
Si basa sulla ricerca di variazioni non casuali, in popolazioni di individui, tra particolari sequenze di DNA e determinati caratteri di interesse. Lo studio ha preso avvio in campo umano, dove ha consentito di identificare geni responsabili di malattie come il diabete, ed è oggi applicata con successo nel campo vegetale, dove è spesso relativamente semplice avere a disposizione grandi popolazioni di individui, come possono essere le collezioni di germoplasma. Alla base vi è la ricerca di polimorfismi genetici (ovvero differenze nella sequenza del DNA) tra i vari individui, attività che nell’ultima decade è diventata molto accessibile grazie allo sviluppo di piattaforme ad alta processività, in grado di produrre in breve tempo e a costi contenuti migliaia di polimorfismi. Attraverso programmi statistici avanzati si tenta poi di associare le differenze osservate a livello di DNA con quelle tra gli stessi individui per alcuni tratti particolari (ad esempio, la resistenza a una malattia, il contenuto proteico, l’altezza della pianta, e molti altri). Queste variazioni sono anche indicative delle regioni genomiche in cui sono localizzati i geni che governano i caratteri analizzati.
SELEZIONE GENOMICA (Genomic selection - Gs)
Tradizionalmente parliamo di specifici geni che danno origine a determinati caratteri fenotipici: basti pensare ai geni Rht responsabili dell’altezza del frumento, che tanta parte hanno avuto nel miglioramento genetico di tale coltura. Molto spesso però la performance di una varietà è dovuta, più che a singoli geni con un grande effetto sul fenotipo, alla combinazione di tanti geni, meglio loci, ognuno dei quali con piccoli effetti fenotipici. La selezione genomica si basa proprio su questo aspetto, valutando l’effetto complessivo di questi loci su un determinato carattere. Con la Selezione Genomica, attraverso la comparazione delle caratteristiche fenotipiche e dei polimorfismi genetici dell’intera popolazione, nel nostro caso della collezione, mediante modelli matematici complessi si calcolano degli indici (Genomic estimated breeding value, Gbev) che riescono a stimare a priori il valore dei singoli individui in futuri programmi di incrocio.
suo territorio, e la studia in campo oltre a estrarne e studiarne il DNA; quella del CREA-CI di Vercelli è costituita da 1.000 accessioni di frumento tenero (una parte della più ampia collezione presente presso la sua banca del germoplasma) che rappresentano vecchie popolazioni locali, varietà storiche e varietà più recenti. C’è poi una collezione di 100 varietà commerciali di frumento e 100 di orzo che costituiscono la “collezione standard di controllo”. Tale collezione, frutto dell’unione delle proposte dei singoli partner, è valutata in campo da tutti i partecipanti nelle rispettive regioni agroclimatiche e servirà, appunto, per standardizzare i risultati fenotipici che i partner rileveranno sulle proprie collezioni di precisione. Infine, la “collezione ponte”, costituita da 1.500 accessioni di frumento e 1.500 di orzo che risultano duplicate tra le banche del germoplasma delle diverse regioni climatiche d’Europa e che saranno usate per integrare i dati storici. I dati storici: un’altra importante ricchezza custodita presso le banche del germoplasma e spesso difficilmente consultabile. Nel tempo, infatti, durante i ripetuti cicli di rigenerazione dei materiali, indispensabili per mantenere la capacità germinativa dei semi, sono stati raccolti, presso le varie istituzioni sede delle banche del germoplasma, molti dati fenotipici relativi ad altezza, spigatura, resistenza a patogeni ecc. In alcuni casi tali dati sono rimasti in archivi cartacei, spesso raccolti in formati diversi, modalità che rendono difficile la loro comparazione integrata. Di conseguenza, il loro potenziale informativo risulta sottoutilizzato. Un obiettivo del progetto AGENT è proprio quello di integrare i dati fenotipici raccolti durante gli anni del suo svolgimento con quelli storici, associandoli ai dati meteorologici (di assoluta rilevanza, viste le crescenti problematiche connesse ai cambiamenti climatici) e rendendoli in un formato uniforme, standardizzato e facilmente accessibile a tutti i portatori d’interesse, grazie alla costituzione di un’infrastruttura digitale creata ad hoc dagli esperti bioinformatici del team.
UN ALTRO OBIETTIVO È INTEGRARE I DATI FENOTIPICI RACCOLTI NEGLI ANNI CON QUELLI STORICI
Come il progetto coinvolge gli stakeholders
E proprio per creare/rafforzare i rapporti di collaborazione con i portatori d’interesse, in AGENT si è pensato di organizzare una rete di valutazione pubblica/privata che comprenda aziende sementiere, istituti di ricerca e agricoltori. In circa venti località per ognuna delle tre macroregioni europee individuate sulla base dei dati pedoclimatici (Nord, Centro e Sud) e per due anni di prova, parte dell’ampia collezione AGENT sarà opportunamente scelta dagli stakeholders (breeder, aziende sementiere, agricoltori, Ong) e da loro valutata per resistenza a patogeni, resilienza, adattabilità e/o qualità. A un anno dall’avvio, le attività al CREACI di Vercelli sono in pieno svolgimento. I materiali della “collezione di precisione” (ogni linea è stata seminata in una fila di circa un metro di lunghezza) e della “collezione standard di controllo” (in cui le varietà sono invece state seminate in parcelle di circa 2 metri quadrati, in blocchi randomizzati e con due repliche) sono in campo e si sta completando il ci-
clo colturale: sulle accessioni sono stati raccolti i dati sulla data di spigatura e fioritura e si stanno effettuando i rilievi sull’altezza delle piante, tenendo sotto controllo la suscettibilità alle malattie fungine, che per ora non si sono palesate. In laboratorio si è quasi completata l’estrazione del DNA della “collezione di precisione”, che verrà poi analizzato presso una società australiana attraverso sistemi ad alta processività, al fine di identificarne le variazioni (i polimorfismi). Ora ci si sta preparando alla raccolta, un passaggio apparentemente banale ma molto delicato anche per la grande quantità delle varietà in studio: un piccolo inquinamento durante questa fase può infatti inficiare gran parte dei risultati a valle. E dopo la raccolta e la sgranatura delle singole spighe, e le valutazioni sulla granella (peso dei semi e, se ci sarà materiale a sufficienza, determinazione del contenuto proteico e del volume di sedimentazione), sarà già tempo di preparare la semina del secondo anno, in cui sarà ripetuta la caratterizzazione fenotipica delle varietà.
Il futuro prossimo
Nel lungo termine le attività del progetto AGENT consentiranno di sfruttare in modo più efficiente l’enorme potenziale delle risorse genetiche messe a disposizione, al fine di andare incontro alla crescente domanda di cibo e di altri prodotti a base vegetale, integrandosi perfettamente alle esigenze agroalimentari dei nostri giorni, sempre più improntate al miglioramento dei livelli di sostenibilità e di sicurezza alimentare richiesti dal mercato e dalle future politiche agricole. Il progetto AGENT, come detto finanziato dall’Unione europea nell’ambito del programma di ricerca e innovazione Horizon 2020 (Grant Agreement No. 862613), è consultabile al sito https://www.agent-project.eu
