TEA: la rivoluzione del miglioramento genetico

La sempre crescente conoscenza del patrimonio genetico delle piante permette di utilizzare tecniche più raffinate per ottenere varietà con le caratteristiche desiderate.
Il progresso delle conoscenze genomiche a partire dalla fine degli anni ’80 in poi, ha rivoluzionato il modo con cui vengono selezionate le piante coltivate. Negli anni ’90 lo sviluppo e la diffusione delle piante GM ha rappresentato un primo passo verso un’agricoltura basata sulla conoscenza dei geni delle piante. Dal 2000 le tecnologie basate sull’uso di marcatori molecolari e di nuovi sistemi di mutagenesi sono diventate di uso comune nei programmi di miglioramento genetico (TEA oNGT). Oggi la conoscenza della funzione dei geni consente di proporre un approccio Cisgenico, nuovi metodi capaci di indurre mutazioni mirate in specifici geni di interesse (Genome Editing) che rappresentano le nuove frontiere del miglioramento genetico vegetale.

Manifesto “Prima i geni”

Il 28 settembre 2019, presso la sede del CREA di Roma, è stato presentato il nuovo documento sull’editing del genoma promosso dalla Società italiana di genetica agraria. Il manifesto “Prima i geni”, comprende dodici tesi per dimostrare che le nuove tecnologie di miglioramento genetico (TEA o NGT) devono rimanere accessibili a tutti. Grazie ad avanzate tecniche biologiche, come il genome editing e la cisgenesi, è oggi possibile ottenere nuove varietà in tempi molto ridotti rispetto a quanto sino ad ora necessari applicando i metodi classici di miglioramento genetico, senza l’introduzione di materiale genetico estraneo.
L’agricoltura Italiana ha un’opportunità straordinaria per riscattarsi dall’instabilità degli ultimi anni. Il manifesto “Prima i geni” vuole unire istituzioni, ricerca e mondo agricolo intorno a un obiettivo comune: far sì che le tecniche di editing del genoma individuino una via italiana all’innovazione in agricoltura.

L’approvazione dell’emendamento

Lo scorso 30 Maggio 2023 è stato approvato l’emendamento sulle TEA (Tecniche di Evoluzione Assistita). Grazie ai voti della maggioranza di governo al decreto legge “Siccità” (De Carlo numeri 9.0.1 e Paroli 11.0.6: AS 660 AS 660 – Fascicolo odg e emdt 10 maggio 2023). L’obiettivo dell’emendamento è fornire agli agricoltori un nuovo strumento per affrontare la siccità, portando la ricerca agricola biotech al di fuori dei laboratori. Per offrire loro piante modificate e selezionate capaci di resistere alle malattie e allo stress idrico, senza ricorrere agli OGM.
Negli ultimi mesi, si è animato un ampio dibattito sull’uso di nuove biotecnologie per il miglioramento genetico vegetale, come la “cisgenesi” e il “genome editing” che utilizzano tecnologie moderne come CRISPR/cas9.
Il dibattito in corso, in Italia, tra il mondo scientifico, i mass media, gli stakeholders e i decisori politici, sottolinea una crescente attenzione e apertura verso le nuove tecnologie nel campo del miglioramento genetico. Le piante ottenute con queste tecniche vengono spesso confrontate con le più tradizionali piante geneticamente modificate (OGM)

Il futuro delle TEA in Italia

Tuttavia, affinché questa apertura alle biotecnologie determini poi un reale impatto sull’agricoltura italiana si devono tenere in considerazione tre aspetti essenziali:

Innanzitutto, l’apertura normativa verso le biotecnologie deve essere accompagnata da consistenti investimenti pubblici e privati. Senza un solido investimento in ricerca, un’apertura verso le TEA rischierebbe di vanificare gli sforzi compiuti fino ad ora. Progetti come BIOTECH, avrebbero solo un impatto limitato sul sistema agricolo senza ulteriori investimenti che consentano di sfruttare le conoscenze acquisite. Per sostenere il sistema scientifico italiano nell’utilizzo delle nuove biotecnologie.
In secondo luogo, in agricoltura, l’obiettivo deve essere la selezione di nuove varietà e ibridi, non solo l’identificazione di nuovi geni e caratteri. Gli investimenti nelle TEA o NGT (New Genomic Techniques) e biotecnologie devono riguardare più in generale l’area della genomica. Intesa come l’insieme delle tecnologie avanzate necessarie per aumentare l’efficienza del miglioramento genetico (Genomics Assisted Selection).
Infine, i cambiamenti climatici e gli obiettivi del Green Deal Europeo richiedono un radicale cambiamento del panorama varietale. Se i prossimi anni saranno caratterizzati da un clima più caldo rispetto al passato recente, ciò impone una selezione di varietà coltivate adattate alle nuove condizioni, considerando le alte temperature, la ridotta piovosità e le nuove malattie. In questo contesto, promuovere un sistema pubblico-privato di miglioramento genetico basato sulle tecnologie genomiche più avanzate diventa strategico per adattare l’agricoltura alle sfide future, mantenendo la competitività e la multifunzionalità del settore agricolo italiano.

Video 1. Il contributo delle TEA all’agricoltura che verrà [Fonte: CREA]

Biotecnologie per l’agricoltura: il progetto BIOTECH

I sistemi tradizionali di breeding non potranno mai garantire la precisione e l’assenza di qualsiasi effetto indesiderato assicurato dall’uso delle biotecnologie. In molti casi, infatti, le TEA come cisgenesi e genome editing permettono di accorciare notevolmente i tempi di selezione, rendendo possibile in pochi anni quello che prima, in casi come le piante arboree, richiedeva alcuni decenni.
Il Genome Editing consente di modificare uno specifico gene (di fatto anche una sola base su 500-1000 milioni di basi, cioè la dimensione media di un genoma delle piante coltivate), lasciando tutto il resto inalterato. Quando questa azione è realizzata su varietà tipiche, od oggetto di produzioni certificate, questo significa poter correggere i difetti senza toccare la tipicità del prodotto.
Il cuore scientifico di BIOTECH è rappresentato dall’applicazione delle nuove biotecnologie per il miglioramento genetico. In particolare la cisgenesi e il genome editing, alle filiere produttive nazionali, al fine di innalzare la qualità e/o la sostenibilità delle colture.
Nella Cisgenesi il gene trasferito deriva esclusivamente da piante della stessa specie, o da specie sessualmente compatibili, mantenendo l’integrità strutturale e l’orientamento del gene originario.
Il progetto prevede anche momenti di divulgazione attraverso il canale Youtube CREA Ricerca e sugli altri social dell’Ente, oltre ad eventi nelle scuole superiori e degli ITS con formazione in agricoltura chiamato Biotech School Contest. La descrizione dei principali risultati conseguito con il progetto Biotech può essere scaricata qui e qui per la rassegna stampa.

Video 2. Alla scoperta di Biotech e TEA [Fonte: CREA]

Nobel per la chimica 2020

Con le moderne biotecnologie è possibile lavorare sul DNA per analizzare, modificare e sostituire geni. Il Genome Editing, ovvero la capacità di cambiare parte delle sequenze di DNA di una cellula animale o vegetale, è uno dei traguardi più importanti raggiunti finora dalla scienza del XXI secolo. Con la messa a punto della “forbice genetica” CRISPR/Cas9 da parte delle due scienziate Emmanuelle Charpentier e Jennifer A. Doudna, premiate con il premio Nobel per la chimica 2020.
Il sistema prende ispirazione da un meccanismo usato dai batteri per difendersi dai virus e utilizza un enzima chiamato Cas9, trasportato da un frammento di RNA capace di raggiungere esattamente il bersaglio previsto. Per questo il sistema sfrutta la presenza di alcune zone di sequenze ripetute palindrome raggruppate e separate a intervalli regolari, dette, in breve, CRISPR. Giunto lì, l’enzima esegue l’equivalente biologico del comando copia-incolla di un software di scrittura ed elimina o sostituisce la sequenza bersaglio.

CRISPR/Cas9:

Il sistema CRISPR/Cas9 si basa sull’impiego della proteina Cas9. Una sorta di forbice molecolare in grado di tagliare un DNA bersaglio, che può essere programmata per effettuare specifiche modifiche al genoma di una cellula. A seguito del taglio introdotto da Cas9, attraverso opportuni accorgimenti, è infatti possibile eliminare sequenze di DNA dannose dal genoma bersaglio oppure è possibile sostituire delle sequenze.
La programmazione del bersaglio di Cas9 avviene attraverso una molecola di RNA. Chiamata RNA guida, che può essere facilmente modificata in laboratorio e, una volta associata a Cas9, agisce come una specie di guinzaglio, ancorandola alla sequenza di DNA bersaglio da noi scelta.
Il sistema CRISPR/Cas9 è stato identificato originariamente studiando i batteri, dove la proteina Cas9 svolge la sua funzione di forbice molecolare aiutando questi microorganismi a proteggersi da virus patogeni, svolgendo quindi la funzione di una sorta di sistema immunitario dei batteri.

Esempi della gamma di possibili opportunità e sfide di CRISPR. — *Figura 3. Esempi della gamma di possibili opportunità e sfide di *CRISPR/Cas9*. [Fonte: Gao.gov]*

Cisgenesi

Fra le TEA è inclusa anche la produzione di organismi cisgenici (cisgenesi). Consentendo incroci interspecifici con il trasferimento di un intero gene, inclusa la sua sequenza regolatrice posta di fronte al tratto codificante, tra due individui tra loro interfertili, cioè appartenenti alla stessa specie o a due specie filogeneticamente molto vicine.
Per cisgenesi si intende l’ottenimento di una pianta trasformata nella quale viene inserito un gene proveniente da un’altra pianta appartenente alla stessa specie.
Mentre nelle tradizionali piante GM il gene inserito può derivare da qualunque essere vivente (ad esempio, il Mais Bt porta un gene di origine batterica), nelle piante cisgeniche il gene deriva da una pianta affine alla specie coltivata e, almeno in linea teorica, potrebbe essere introdotto nella pianta coltivata anche attraverso una serie ripetuta di incroci, eventualmente assistiti da marcatori molecolari.

Perché risulta conveniente la Cisgenesi?

Immaginiamo di voler sviluppare una vite resistente alla peronospora, ma senza modificare le caratteristiche qualitative dei vitigni esistenti che sono alla base di tutti i vini DOC e DOCG. In alcune forme selvatiche di vite esistono geni che conferiscono resistenza alla peronospora, queste posso essere incrociate con le cultivar di vite e dopo diversi cicli di incroci e selezione, si può arrivare ad avere vitigni resistenti. Questo processo, tuttavia, richiede molto tempo, circa un decennio di selezione. Perlopiù i vitigni resistenti che si ottengono, non sono identici a quelli tradizionali, perché contengono geni selvatici oltre a quello che conferisce la resistenza e potrebbero aver perso alcune caratteristiche qualitative.
Proseguendo il lavoro di selezione per qualche altro decennio si potrebbero limitare di molto i geni selvatici, non desiderati, ma la loro completa rimozione rimane comunque un evento estremamente difficile.
Al contrario, con le TEA o NGT una volta isolato il gene che conferisce resistenza dalla specie selvatica, è possibile trasferirlo nella vite coltivata mediante cisgenesi senza modificare le caratteristiche dei diversi vitigni, ovviamente a esclusione della resistenza. Situazioni analoghe si ritrovano in molte altre specie caratterizzate da un lungo ciclo vegetativo (ad esempio il problema della resistenza alla ticchiolatura in melo) o da specifiche caratteristiche qualitative che difficilmente vengono interamente recuperate tramite incrocio.

Genome editing

Per genome editing si intende l’insieme di quelle tecniche che consentono di modificare in maniera mirata specifici geni, inducendo tagli nel doppio filamento di DNA. Questi tagli vengono poi riparati, ma frequentemente, durante il processo di riparazione si determinano piccole mutazioni, che possono modificare la funzionalità del gene. Le piante così ottenute non contengono DNA diverso da quello presente naturalmente nella loro specie. Di fatto, sono del tutto equivalenti a quelle che potrebbero risultare utilizzando tecniche convenzionali di miglioramento genetico basate su incrocio, selezione e mutagenesi.
Con il termine genome editing si intendono diverse tecniche, tra cui quella al momento più promettente è definita dal termine «CRISPR/cas9», capaci di indurre modifiche particolari nel genoma di una pianta.
L’aspetto peculiare di queste tecnologie è il fatto che le modifiche sono «mirate», cioè permettono di modificare in un modo predefinito solo il gene di interesse, al contrario di altri sistemi, quali la mutagenesi, che generano un numero indefinibile di modifiche casuali.
Le tecniche di genome editing consentono di generare diversi tipologie di modifiche geniche. Passando dalle mutazioni puntiformi fino all’inserzione di larghi frammenti di DNA esogeno.

Video 3. Genome Editing with CRISPR-Cas9 [Fonte: McGovern Institute]

La precisione della tecnica

Ai fini del dibattito in corso in questi mesi in Italia, è particolarmente rilevante l’uso del genome editing per generare piccole modifiche nel DNA. Introdurre specifiche mutazione anche di una sola base nucleotidica può avere un grande impatto sulla pianta. Mutazioni di questo tipo sono frequenti in natura oppure possono essere generate tramite agenti mutageni (usati nel miglioramento genetico a partire dagli anni 60) come radiazioni ionizzanti (raggi X, radiazioni α, β,γ e Co-60) e i raggi ultravioletti (UV) .
Ad esempio, il gene che conferisce la bassa taglia nei frumenti e che rende le varietà di oggi almeno mezzo metro più basse e molto più produttive di quelle antiche è il risultato di una mutazione naturale di un gene che controlla Io sviluppo della pianta. Mentre la tecnologia «Clearfield» di Basf sfrutta una mutazione indotta mediate mutagenesi per creare una pianta resistente agli erbicidi (in Italia è particolarmente diffuso il riso Clearfield).
Mutare i geni è quindi estremamente utile, tuttavia l’induzione di mutazioni casuali nel genoma è un sistema molto poco efficace per ottenere un determinato risultato. Se si conoscono in dettaglio i geni che controllano il carattere di interesse, l’uso del genome editing consente di modificare esclusivamente il gene di interesse e nella direzione voluta.
Bisogna precisare che il genome editing richiede l’inserimento nella pianta da modificare di una sequenza di DNA che codifica il sistema di editing (CRISPR/cas9 o altro) producendo quindi una pianta GM. Tuttavia il DNA esogeno può essere interamente rimosso al termine del processo generando una pianta priva di qualunque sequenza di origine esterna.

*Figura 4. Fasi schematiche dei sistemi CRISPR/cas9 che consentono agli scienziati di apportare modifiche mirate al DNA di un organismo.*
[Fonte: *Gao.gov*]

Differenze tra OGM e TEA

Gli OGM coinvolgono l’inserzione di sequenze di geni provenienti da altre specie all’interno del genoma originario di un organismo, indipendentemente se questi geni appartengono a piante, animali o batteri. Questa introduzione di DNA estraneo crea organismi transgenici, che possiedono un patrimonio genetico modificato e un insieme di caratteristiche genetiche che non si verificherebbero naturalmente nella specie di partenza.
D’altro canto, le TEA consentono la modifica del genoma, ma senza l’inserimento di geni “estranei” provenienti da altre specie. Queste tecnologie si concentrano sulla manipolazione di geni e sequenze genetiche esistenti all’interno dello stesso organismo o della stessa specie. Ciò significa che le TEA possono indurre cambiamenti mirati e specifici nel genoma di un organismo senza introdurre nuovi geni provenienti da altre specie.
Queste differenze sono importanti in termini di percezione, accettazione e regolamentazione delle tecnologie genetiche. Gli OGM sono stati oggetto di dibattiti e regolamentazioni rigide in molte parti del mondo. Mentre, le TEA offrono un approccio più preciso e controllato alla modifica genetica, evitando l’inserimento di geni estranei e riducendo le preoccupazioni riguardo alla sicurezza e agli impatti ambientali.

*Figura 5. Confronto tra metodi di breeding tradizionale, transgenico (OGM) e cisgenico per lo sviluppo di una pianta dotata di un particolare gene di resistenza [Fonte: Informatore Agrario]*

Conclusioni

Sia cisgenesi che genome editing si basano su una dettagliata conoscenza del genoma e della funzione dei geni. Sfruttano sistemi innovativi di miglioramento genetico per inserire il gene esogeno (cisgenesi) o per inserire il sistema di editing (poi eliminabile al termine del processo). Generando un prodotto finale equivalente a quello ottenibile tramite approcci più tradizionali (incrocio o mutagenesi). Con una maggiore efficienza e una qualità del risultato irraggiungibile con altri metodi. Nel mondo, già diversi Paesi, come Stati Uniti, Canada, Sud America, Giappone, Regno Unito, ne hanno liberalizzato l’uso in campo. Le Tecniche di Evoluzione Assistita (TEA) si candidano per l’agricoltura del futuro con l’obiettivo di introdurre colture resistenti e di assicurare cibo anche in caso di eventi climatici proibitivi. Il tutto tutelando la sostenibilità ambientale.

Fonti

Crediti media

Figura 1. Il manifesto “Prima i geni”, dodici tesi per dimostrare che le nuove tecnologie di miglioramento genetico devono rimanere accessibili a tutti. [Fonte: CREA]
Figura 2. La francese Emmanuelle Charpentier e l’americana Jennifer Doudna, sono le ricercatrici che hanno ideato e messo a punto il sistema CRISPR/Cas9, premiate con il Nobel per la chimica 2020[Fonte: Il Graffio].
Figura 3. Esempi della gamma di possibili opportunità e sfide di CRISPR. [Fonte: Gao.gov]
Figura 4. Fasi schematiche dei sistemi CRISPR/cas9 che consentono agli scienziati di apportare modifiche mirate al DNA di un organismo.
[Fonte: Gao.gov]
Figura 5. Confronto tra metodi di breeding tradizionale, transgenico (OGM) e cisgenico per lo sviluppo di una pianta dotata di un particolare gene di resistenza [Fonte: Informatore Agrario]
Video 1. Il contributo delle TEA all’agricoltura che verrà [Fonte: CREA]
Video 2. Alla scoperta di Biotech [Fonte: CREA]
Video 3. Genome Editing with CRISPR-Cas9 [Fonte: McGovern Institute]