Un recente studio ha introdotto una strategia avanzata per ottenere colture più resilienti e performanti sotto il profilo climatico, aumentando le rese in condizioni normali e contrastando efficacemente le perdite dovute a stress termico. Lo studio, pubblicato sulla rivista Cell, è stato condotto dal professor Xu Cao e dal suo team dell’Istituto di genetica e biologia dello sviluppo (IGDB) dell’Accademia cinese delle scienze.
Con l’avvicinarsi del 2050, l’agricoltura mondiale deve fronteggiare una sfida enorme: l’aumento della produttività del 60% per sfamare una popolazione globale di circa 10 miliardi. Tuttavia, le previsioni indicano che la produzione agricola attuale non sarà sufficiente, a causa degli effetti del cambiamento climatico che impongono un carico crescente di stress abiotico. L’innalzamento delle temperature di 2°C durante la stagione di crescita potrebbe ridurre le rese agricole dal 3% al 13%. In questo contesto, gli scienziati hanno l’urgenza di sviluppare colture “intelligenti dal punto di vista climatico”, che siano in grado di garantire rese elevate in condizioni normali e stabili durante periodi di stress termico.
Un fattore chiave che determina la resa e la qualità delle colture è la relazione tra fonte e pozzo. I tessuti fonte, come le foglie, sono responsabili della produzione di fotoassimilati, principalmente carboidrati come il saccarosio, mentre i tessuti pozzo, come frutti, semi e radici, agiscono da importatori e utilizzano o immagazzinano questi fotoassimilati. Un gene cruciale che regola questa relazione nelle piante è il gene dell’invertasi della parete cellulare (CWIN).
L’enzima codificato da questo gene è responsabile della conversione del saccarosio in glucosio e fruttosio all’interno degli organi pozzo, dove questi zuccheri vengono assorbiti e utilizzati. Oltre ad essere nutrienti essenziali per lo sviluppo di frutti e semi, questi zuccheri influenzano anche la dolcezza dei frutti e la qualità dei chicchi di riso. Tuttavia, lo stress termico inibisce l’attività di CWIN, disturbando l’equilibrio tra fonte e pozzo, e causando un insufficiente apporto energetico negli organi pozzo, riducendo lo sviluppo riproduttivo e abbassando le rese.
Nel loro studio innovativo, il professor Xu Cao e il suo team hanno sviluppato una strategia denominata CROCS (Climate-Responsive Carbon Sink) per ottimizzare la distribuzione del carbonio negli organi pozzo. Utilizzando tecniche avanzate di prime-editing, i ricercatori hanno inserito un elemento di shock termico (HSE) di 10 basi nei promotori del gene CWIN in varietà di riso e pomodoro d’élite. L’inserimento di HSE ha reso il gene CWIN termo-responsivo, migliorando la distribuzione del carbonio nei chicchi di riso e nei frutti di pomodoro, sia in ambienti controllati che in campo.
I test condotti su pomodori in diverse condizioni di coltivazione, inclusi serre e campi aperti, hanno mostrato che la strategia CROCS ha aumentato le rese di pomodoro dal 14% al 47% in condizioni normali. In situazioni di stress da calore, la resa per appezzamento è aumentata del 26%–33%, e la perdita di frutti dovuta al calore è stata ridotta dal 56,4% al 100%. Inoltre, la qualità della frutta, come uniformità e contenuto di zucchero, è migliorata significativamente rispetto ai controlli non modificati.
Le cultivar di riso migliorate tramite CROCS hanno registrato un aumento della resa del 7%–13% in condizioni normali e un incremento del 25% nelle rese in situazioni di stress termico. Le perdite di grano causate dal calore sono state recuperate fino al 41%. Il professor Xu ha sottolineato che CROCS è un sistema altamente efficiente e versatile, che consente il rapido miglioramento delle colture grazie all’editing mirato dei geni, aprendo così la strada alla creazione di colture climaticamente intelligenti. La strategia non solo migliora le rese, ma fornisce anche utili strumenti per lo studio delle risposte delle piante allo stress ambientale.
Infine, i ricercatori hanno applicato questa tecnica anche a colture come la soia, il grano e il mais, suggerendo che la strategia CROCS potrebbe rivoluzionare l’approccio alla selezione e miglioramento delle colture agricole in risposta ai cambiamenti climatici.