Ingegnerizzare le colture per soddisfare il fabbisogno alimentare della popolazione globale in crescita

Il fabbisogno alimentare a livello mondiale sta aumentando ed entro il 2050, con una popolazione mondiale in crescita e l’aumento del reddito pro capite nei paesi in via di sviluppo, è destinato a raddoppiare. Per soddisfare questo fabbisogno, è necessario migliorare la sostenibilità e la produttività dell’agricoltura. L’incremento annuo della resa agricola dovrà essere del 2,4 %, una vera e propria sfida considerando che le principali colture alimentari, quali quella del mais, del riso e del grano, si sono attualmente stabilizzate su una crescita annua dell’1 %.

Un gruppo di ricerca guidato dal professor Andreas Weber dell’Università tedesca Heinrich Heine ha ora sviluppato una soluzione che potrebbe portare a piante più produttive e che consumano una minor quantità di risorse. Realizzata con il sostegno del progetto GAIN4CROPS, finanziato dall’UE, questa soluzione ruota intorno alla fotorespirazione e al metabolismo delle piante C4, due degli obiettivi principali per migliorare la resa delle colture. Lo studio dei ricercatori è stato pubblicato nella rivista «Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America».La fotorespirazione è un processo metabolico dispendioso che avviene nella maggior parte delle specie vegetali sul pianeta, ovvero le piante denominate C3 dal composto 3-fosfoglicerato a tre atomi di carbonio prodotto nella fissazione della CO2. Tale processo inizia quando l’enzima ribulosio-1,5-bisfosfato carbossilasi/ossigenasi (rubisco) agisce sull’ossigeno anziché sull’anidride carbonica, formando prodotti tossici che le piante devono riciclare. Durante questo processo, la pianta perde molta dell’energia prodotta dalla fotosintesi e rilascia carbonio precedentemente fissato, con un conseguente calo di produttività. Tuttavia, le piante C4, il cui nome deriva dal composto a quattro atomi di carbonio prodotto durante la fotosintesi, hanno la capacità di ridurre al minimo la fotorespirazione utilizzando un enzima non rubisco durante la prima fase della fissazione del carbonio.

Gli scienziati, al fine di ridurre gli effetti nocivi della fotorespirazione e migliorare la crescita e il rendimento delle piante, presentano nuove vie metaboliche per eludere la fotorespirazione o imitano i meccanismi di concentrazione del carbonio delle piante C4. La soluzione del gruppo di ricerca tedesco collega due dei principali obiettivi di miglioramento del metabolismo vegetale, combinando fotorespirazione e metabolismo delle piante C4. In base alle dichiarazioni rese nel comunicato stampa pubblicato nel sito web di GAIN4CROPS, gli scienziati «hanno trasformato un nuovo percorso di elusione della fotorespirazione, il percorso microbico BHAC, in un meccanismo di conservazione del carbonio nelle piante». Hanno introdotto gli enzimi derivati dal percorso BHAC in un modello vegetale, l’Arabidposis thaliana, e sono riusciti a trasformare «il prodotto tossico della fotorespirazione nel trampolino di lancio di un ciclo C4 sintetico, senza dispersioni di carbonio, azoto o energia».

Lo studio di prova di concetto apre la strada al potenziamento futuro della produttività agricola. «Il miglioramento della sostenibilità rappresenta forse la principale sfida del XXI secolo e, anche in assenza della soluzione perfetta, la combinazione di soluzioni diverse potrebbe portare a sviluppi efficaci», ha osservato il professor Weber nello stesso comunicato stampa.

I ricercatori di GAIN4CROPS (Rewiring photorespiration using natural and synthetic pathways to sustainably increase crop yield) stanno realizzando vie metaboliche sintetiche efficienti che favoriranno la fissazione del carbonio. L’obiettivo del progetto è assumere un ruolo nel soddisfacimento dei fabbisogni di cibo e carburante di una popolazione globale in crescita che deve affrontare le sfide dei cambiamenti climatici.

Per maggiori informazioni, consultare:

sito web del progetto GAIN4CROPS