Gli allevatori cercano una svolta per aiutare gli agricoltori ad affrontare un futuro incerto.ERIK STOKSTAD Autori Informazioni e affiliazioniSCIENZA8 febbraio 2019Vol 363 , numero 6427pagine 574-577 _ _DOI: 10.1126/scienza.363.6427.574
APRI NEL VISUALIZZATOREQui, su una collina brulla e brulla, David Ellis esamina un terreno di prova di piante di patate e scuote la testa. “Sono morti, morti, morti”, dice. I parassiti e la mancanza di pioggia hanno devastato tutte le 17 varietà che i ricercatori avevano piantato.È un segnale preoccupante per Ellis, direttore ora in pensione della banca genetica del Centro internazionale della patata (CIP) di Lima. L’uomo coltiva patate in questo tratto accidentato delle Ande da migliaia di anni. Negli ultimi anni, questo compito è diventato più arduo, in parte a causa del cambiamento climatico. La siccità e il gelo colpiscono più spesso. Le piogge arrivano più tardi, accorciando la stagione di crescita. E le temperature più calde hanno permesso a falene e punteruoli di invadere le zone più basse.Per trovare patate in grado di far fronte a queste sfide, ricercatori e agricoltori peruviani stanno testando dozzine delle 4.350 varietà coltivate localmente, o varietà autoctone, conservate nei magazzini refrigerati del CIP. Le piante in questo appezzamento non sono state all’altezza. “Le varietà autoctone si sono evolute nel tempo”, afferma Ellis. Ma, dice, il cambiamento climatico sta avvenendo “troppo velocemente perché queste varietà possano adattarsi”.
Le ultime notizie, commenti e ricerche, gratuiti ogni giorno nella tua casella di postaISCRIZIONEIn Perù e nel mondo, la valorizzazione della patata è diventata una priorità assoluta. È la coltura alimentare più importante dopo il grano e il riso. Le patate rappresentano già l’alimento base per 1,3 miliardi di persone, e i nutrienti tuberi stanno diventando sempre più popolari nei paesi in via di sviluppo. Stare al passo con la domanda significa adattare la patata a diversi terreni e climi. Deve anche resistere alle nuove minacce derivanti da parassiti, malattie, caldo e siccità.A differenza di altre colture importanti, tuttavia, la patata non ha avuto un progresso genetico simile a quello che ha contribuito ad aumentare drasticamente i raccolti durante la Rivoluzione Verde degli anni ’50 e ’60. Il motivo è che la creazione di una nuova varietà di patate è lenta e difficile, anche per gli standard pazienti dei coltivatori di piante. Le varietà commerciali trasportano quattro copie di ciascun cromosoma, il che costringe gli allevatori a creare e testare centinaia di migliaia di piantine per trovarne solo una con la combinazione di tratti desiderata. La preparazione di una nuova varietà per i campi agricoli può richiedere un decennio o più.Molti paesi continuano a piantare varietà di patate popolari che sono rimaste sostanzialmente immutate per decenni. Ma nuovi approcci, compresa l’ingegneria genetica, promettono di aggiungere ulteriori opzioni. I coltivatori di patate sono particolarmente entusiasti di un modo radicalmente nuovo di creare varietà migliori. Questo sistema, chiamato allevamento ibrido diploide, potrebbe ridurre il tempo richiesto di oltre la metà, rendere più semplice combinare i tratti in un’unica varietà e consentire agli agricoltori di piantare semi invece di ingombranti pezzi di tubero. “Cambierà enormemente il mondo”, afferma Paul Struik, agronomo dell’Università di Wageningen nei Paesi Bassi.Per selezionare una patata migliore, è utile avere a portata di mano molta materia prima genetica. Ma le banche genetiche del mondo non sono completamente rifornite della più ricca fonte di geni preziosi: le 107 specie di patate che crescono allo stato selvatico. La perdita di habitat minaccia molte popolazioni di quelle piante. Nel tentativo di preservare questa diversità selvaggia prima che svanisca, i collezionisti hanno fatto la loro più grande spinta mai vista, nell’ambito di un programma da 50 milioni di dollari coordinato dal Crop Trust, un’organizzazione intergovernativa con sede a Bonn, in Germania.I collezionisti e gli allevatori combattono contro il riscaldamento, l’essiccazione e la proliferazione dei parassiti. “A causa del cambiamento climatico”, afferma Nigel Maxted, biologo ambientalista dell’Università di Birmingham nel Regno Unito, “abbiamo bisogno di livelli di diversità più elevati che mai”.GLI ANTENATI PIÙ VICINI delle patate coltivate si sono evoluti nelle Ande, dove gli uomini hanno addomesticato la pianta almeno 7000 anni fa. Dopo che gli spagnoli portarono il tubero in Europa nel XVI secolo, rimase una curiosità botanica e veniva utilizzato principalmente come nutrimento per il bestiame. Gli europei iniziarono a mangiare seriamente le patate solo nel 1800, durante le carestie delle guerre napoleoniche.Una volta che la patata ha preso piede, non è più stato possibile tornare indietro. La pianta può crescere in climi freddi e terreni poveri e in alcuni luoghi produce diversi raccolti per stagione. Una volta raccolti, i tuberi ricchi di energia, ricchi di vitamina C, possono essere conservati per mesi e cucinati in molti modi. Un ettaro di patate può fornire fino a quattro volte le calorie di un raccolto di cereali.Come il riso e il grano, anche la patata è stata un obiettivo di miglioramento durante la Rivoluzione Verde. I rendimenti aumentarono grazie ai fertilizzanti e al miglioramento delle tecniche agricole, ma non salirono alle stelle. I coltivatori di patate non hanno ottenuto miglioramenti genetici come quello che ha prodotto grano con steli corti e robusti in grado di sopportare più cereali.Tuttavia, la produzione globale di patate è cresciuta costantemente (vedi grafico sotto). La Cina ha raddoppiato i suoi raccolti negli ultimi 20 anni. Attualmente si coltivano più del doppio delle patate dell’India, il secondo produttore più grande. Uzbekistan e Bangladesh, tra le altre nazioni, sono arrivati a dipendere dalla patata per la sicurezza alimentare. Nel 2005, per la prima volta i paesi in via di sviluppo hanno coltivato più patate rispetto al mondo sviluppato. Molti paesi africani puntano ad aumentare la produzione.Per ottenere raccolti più abbondanti, gli agricoltori dovranno gestire molti rischi, comprese le malattie. Il più grande flagello della patata è il patogeno fungino Phytophthora infestans , che causa una malattia chiamata peronospora. L’agente patogeno scatenò la carestia delle patate in Irlanda a metà del XIX secolo e da allora i coltivatori di piante hanno lottato per controllarla. “La Phytophthora è in continua evoluzione e supera la resistenza”, afferma Jadwiga Śliwka dell’Istituto di allevamento e acclimatazione delle piante di Młochów, Polonia. . I paesi ricchi utilizzano fungicidi per ridurre al minimo le perdite devastanti dovute alla peronospora. Ma nei paesi in via di sviluppo, dal 15% al 30% del raccolto viene rovinato.
APRI NEL VISUALIZZATOREPoi ci sono il caldo e la siccità, che i cambiamenti climatici stanno esacerbando. In alcune parti del mondo, gli agricoltori piantano il raccolto prima in modo che maturi prima che le notti diventino troppo calde, impedendo la formazione di tuberi. Ma prima o poi gli agricoltori avranno bisogno di piante più resistenti. “Ci concentriamo sullo sviluppo di patate robuste che garantiscano prestazioni migliori in un ambiente stressante”, afferma Thiago Mendes, un coltivatore di patate dell’ufficio regionale del CIP a Nairobi. “Il nostro obiettivo è la sicurezza alimentare”.La chiave per ottenere una patata così robusta potrebbe trovarsi nelle specie selvatiche che crescono dal Nord America sudoccidentale attraverso l’America centrale e meridionale. Le patate selvatiche del Messico, ad esempio, si sono evolute in presenza di P. infestans e possono resistere a molti ceppi. Molte altre specie selvatiche devono ancora essere raccolte o studiate a fondo.NEL GIUGNO 2018 , accanto a un pascolo di bestiame nel sud del Brasile, il botanico Gustavo Heiden camminava lungo un terrapieno, con gli occhi fissi sull’erba alta. Poi si inginocchiò e conficcò una paletta nel terreno. “Aha! Guarda questo”, ha detto Heiden, che lavora con la Corporazione brasiliana di ricerca agricola (EMBRAPA) a Pelotas. Strappò una pianta bassa con piccoli tuberi che pendevano dalle radici. Si trattava di Solanum commersonii , uno dei tre parenti selvatici della patata conosciuti in Brasile.Il Brasile è lontano dal centro di origine della patata, nelle Ande. Ma gli areali dei parenti selvatici si estendono fino allo stato del Rio Grande do Sul, dove il clima passa da temperato a tropicale. Le piante in questa zona di transizione si sono evolute per sopravvivere a inverni occasionalmente rigidi ed estati calde e secche. “Le patate selvatiche qui sono probabilmente abbastanza adattate alle condizioni meteorologiche estreme che si verificheranno più frequentemente con il cambiamento climatico”, afferma Heiden.Il viaggio di raccolta di Heiden è stato solo un elemento dell’impegno del Crop Trust per raccogliere, conservare e allevare i parenti selvatici di 29 colture, iniziato nel 2011. I collezionisti di piante viaggiavano per il mondo in tali spedizioni. Ma sono diventati molto meno frequenti dopo che i governi hanno iniziato ad adottare la Convenzione sulla diversità biologica negli anni ’90. Destinata a prevenire lo sfruttamento ingiusto della biodiversità, la convenzione ha reso più difficile ottenere i permessi di raccolta e lo scambio di materiale vegetale. Un trattato internazionale sulle sementi stabilito nel 2004 ha facilitato gli scambi con colture e parenti selvatici, ma la raccolta è rimasta stagnante a causa della mancanza di finanziamenti e competenze. “Non avevamo alcuna esperienza su come raccogliere le patate selvatiche o su come conservarle”, afferma Cinthya Zorrilla,Il Crop Trust ha fornito sovvenzioni e formazione ai collezionisti di tutto il mondo. Lo sforzo sulle patate selvatiche, che si conclude questo mese, ha prodotto una raccolta che rappresenta 39 specie provenienti da sei nazioni: Perù, Brasile, Ecuador, Guatemala, Costa Rica e Cile. La sola squadra di Zorrilla ha trovato 31 specie in Perù, inclusa una di cui non erano mai stati raccolti i semi. Hanno in programma di continuare la ricerca di altre quattro specie ancora scomparse dalle banche genetiche. “Non ci fermeremo”, dice. Le piante vengono conservate nella banca genetica di ogni nazione, CIP, e nella Millennium Seed Bank presso i Royal Botanic Gardens, Kew, nel Regno Unito. I semi immagazzinati saranno disponibili ai coltivatori di patate di tutto il mondo.LA PARTE PIÙ DIFFICILE viene dopo: trasferire i geni desiderabili dalle specie selvatiche alle patate coltivate. In passato, gli allevatori acquisivano caratteristiche come la resistenza alle malattie da una dozzina di specie selvatiche. Quelle vittorie sono state ottenute a fatica e alcune hanno richiesto decenni per essere raggiunte. Ciò è in gran parte dovuto al fatto che i parenti selvatici portano anche molti tratti indesiderati, che si combinano con quelli delle patate coltivate e riducono notevolmente le possibilità di un allevatore di trovare una buona varietà.Anche senza le specie selvatiche, la coltivazione delle patate è un azzardo. Poiché le linee riproduttive hanno quattro copie dei loro 12 cromosomi, i tratti dei due genitori si manifestano nella generazione successiva in combinazioni largamente imprevedibili. Come dicono gli esperti, le varietà attuali non si riproducono correttamente, motivo per cui gli agricoltori piantano pezzi di “tubero da seme”, che producono piante geneticamente identiche, anziché semi. Ad aggravare il mal di testa, gli allevatori selezionano molti tratti contemporaneamente, riducendo ulteriormente la probabilità di trovare un vincitore. “I numeri diventano davvero difficili, molto veloci”, afferma Laura Shannon, coltivatrice di patate presso l’Università del Minnesota a St. Paul.I marcatori genetici collegati a geni specifici hanno accelerato il processo. Per scoprire se le piantine hanno ereditato una caratteristica come la resistenza alle malattie, i coltivatori possono testare rapidamente il marcatore invece di aspettare che le piante maturino per poi esporle alla malattia. Anche con questo strumento, un coltivatore di patate deve selezionare fino a 100.000 figli all’anno. Possono essere necessari 15 anni o più per trovarne uno con le caratteristiche giuste, testarlo completamente e generare abbastanza tuberi da distribuire agli agricoltori.Un’altra frustrazione è che i coltivatori di patate non riescono facilmente a migliorare le varietà esistenti. Una volta stabilita una varietà di patate, è praticamente impossibile introdurre nuove caratteristiche mantenendo tutte le sue caratteristiche preferite. Ecco perché le varietà classiche e ampiamente coltivate, come il burbank color ruggine, dominano ancora il mercato molti decenni dopo il loro debutto.Gli allevatori pazienti che utilizzano metodi tradizionali possono tuttavia ottenere risultati impressionanti. Nel 2017, ad esempio, il CIP ha rilasciato quattro nuove varietà in Kenya, risultato di incroci provenienti da linee di allevamento consolidate. Nelle prove sul campo, le nuove piante di patate hanno mantenuto le rese con il 20% di precipitazioni in meno e temperature più alte di 3°C.Tale successo dimostra che c’è ancora diversità genetica da sfruttare nelle linee di allevamento esistenti. Ma i ricercatori temono che il patrimonio genetico potrebbe non essere abbastanza profondo da adattare la patata ai climi futuri o consentire altri miglioramenti. Le patate selvatiche, tuttavia, custodiscono una diversità genetica preziosa e non ancora sfruttata. Una caratteristica di quelle piante selvatiche, dice Mendes, “potrebbe salvarci la vita”.LA RICERCA dei tratti vitali è già in corso. L’anno scorso, in una stazione di ricerca EMBRAPA vicino a Pelotas, i tecnici in camice da laboratorio si chinavano sulle specie selvatiche che Heiden aveva raccolto. Hanno imbrattato delicatamente i loro fiori leggermente viola con polvere gialla contenuta in un tubo di plastica, fertilizzandoli con il polline delle patate domestiche.In una serra vicina, i tavoli erano allineati con i figli degli incroci precedenti. I ricercatori hanno valutato migliaia di quelle piantine per la salute e la resa, tra le altre caratteristiche. Hanno selezionato le piante più vecchie per verificarne la resistenza alla siccità limitando l’acqua in abbeveratoi rivestiti di plastica. In una camera a temperatura controllata, i ricercatori hanno testato la capacità di altre piante di resistere al calore; le piante ingiallite sembravano soffocanti.Tali test estesi hanno lo scopo di trasferire i geni selvatici nei programmi di allevamento tradizionali il più rapidamente possibile. Fa parte dell’impegno più ampio di EMBRAPA per aiutare il Brasile ad espandere la produzione di patate, la coltura vegetale più importante del paese.
APRI NEL VISUALIZZATOREA Lima, il Crop Trust ha finanziato il CIP per testare le varietà selvatiche per verificarne i tratti promettenti anche prima che inizi qualsiasi selezione. Nel 2013, i ricercatori del centro hanno iniziato a caratterizzare 12 specie selvatiche raccolte 30 anni fa. I dati suggeriscono che queste specie potrebbero tollerare la siccità e resistere a malattie come l’avvizzimento batterico, un problema serio per i paesi in via di sviluppo. Merideth Bonierbale e colleghi hanno piantato semi e hanno testato le piante nelle serre della struttura principale del CIP. Mendes sta ora espandendo l’opera al Kenya.Altri ricercatori stanno aggirando i limiti dell’allevamento tradizionale utilizzando l’ingegneria genetica. Marc Ghislain e colleghi del CIP, ad esempio, hanno aggiunto direttamente i geni a varietà di patate già di successo senza alterare le piante in nessun altro modo, un approccio non possibile con la selezione tradizionale. Hanno preso tre geni per la resistenza alla peronospora da parenti selvatici e li hanno aggiunti a varietà di patate popolari nell’Africa orientale. Le varietà ingegnerizzate si sono rivelate efficaci in 3 anni di test sul campo in Uganda e sono in fase di studi finali per gli enti regolatori. Le patate transgeniche resistenti alla peronospora sono già state commercializzate negli Stati Uniti e in Canada.Gli approcci biotecnologici hanno i loro limiti. Hanno avuto successo con tratti controllati da singoli geni, come la resistenza alle malattie e la tolleranza ai lividi. Ma migliorare i complessi tratti fisiologici governati da molti geni, come l’efficienza nell’uso dell’acqua, richiede l’allevamento tradizionale, per quanto complicato.A WAGENINGEN , Pim Lindhout ha pianificato una rivoluzione che eliminerebbe gran parte di quella noia e complessità. In qualità di capo della ricerca e sviluppo di Solynta, una startup fondata nel 2006, lui e i suoi colleghi hanno sviluppato un nuovo modo di selezionare le patate: creare una progenie ibrida da linee parentali vere e proprie. “Tutti erano convinti che fosse impossibile”, dice. “Molte persone pensavano che fossi pazzo.”La selezione ibrida ha rivoluzionato la produzione di mais nel XX secolo. Ha consentito agli allevatori di creare rapidamente varietà ad alto rendimento dotate del cosiddetto vigore ibrido. Il primo passo è creare linee parentali innate, che abbiano alleli identici su tutte le copie cromosomiche; la prole di questi genitori fedeli eredita quindi un insieme prevedibile di tratti. La creazione di linee consanguinee richiede un’autoimpollinazione ripetuta per molte generazioni. Questo processo tende a compromettere la salute delle piante, ma quando gli allevatori incrociano due linee consanguinee, la progenie della prima generazione è sana e presenta tratti benefici da entrambi i genitori.I coltivatori di patate dubitavano che questo approccio fosse possibile per i tuberi. “Sono stato addestrato a credere che le patate non possano essere incrociate tra consanguinei”, afferma Shelley Jansky, una coltivatrice di patate del Dipartimento dell’Agricoltura degli Stati Uniti a Madison. Un grosso ostacolo è che molte specie di patate non possono autofertilizzarsi. Nel 1998, i ricercatori hanno scoperto un gene che in qualche modo consente a una specie selvatica di patata di autofecondarsi. Quando quel gene viene incrociato in altre specie, consente anche loro di autofecondarsi. Ma le piante risultanti sono fragili e producono tuberi gracili.Il passo successivo è quello di incrociare questi deboli autofecondandoli, generazione dopo generazione. Non preoccupatevi di provarlo a casa: il successo con le patate coltivate richiederebbe probabilmente decenni a causa delle piccole probabilità di ottenere lo stesso allele su tutte e quattro le copie dei loro cromosomi. Gli allevatori riducono la complessità utilizzando specie con solo due serie di cromosomi (noti come diploidi) o manipolando patate domestiche per dimezzare il numero di cromosomi. Con persistenza, le patate diploidi possono essere incrociate. Nel 2011, Lindhout ha pubblicato il primo rapporto sulle linee diploidi innate che sono vigorose e produttive. Più recentemente, Jansky e colleghi hanno creato anche linee diploidi innate.
APRI NEL VISUALIZZATORETali piante consanguinee diploidi sono al centro della strategia di Solynta per rivoluzionare la selezione delle patate. Consentiranno di combinare i tratti delle varietà commerciali con certezza, facilità e velocità senza precedenti. E le piante semplificheranno gli sforzi per aggiungere tratti desiderabili direttamente dai parenti selvatici, eliminando i loro numerosi inconvenienti, come tuberi piccoli o sapore scarso. I tratti indesiderati possono essere estratti dai discendenti di un incrocio diploide attraverso una tecnica standard chiamata backcrossing.Nel 2016, Solynta ha condotto le prime prove sul campo di piantine ibride nella Repubblica Democratica del Congo e in 17 località in tutta Europa. Le piante si sono comportate bene, producendo grandi tuberi durante una tipica stagione di crescita. L’azienda non ha ancora commercializzato una varietà. Entro pochi anni spera di creare patate personalizzate per i mercati europei e africani. Anche altre aziende, comprese le grandi aziende produttrici di sementi, stanno lavorando per sviluppare patate ibride. L’HZPC di Joure, nei Paesi Bassi, ha iniziato le prove sul campo in Tanzania e in diversi paesi asiatici.L’allevamento ibrido “potrebbe rappresentare un vero punto di svolta”, afferma il genetista Glenn Bryan, capo del gruppo Potato Genetics and Breeding presso il James Hutton Institute di Dundee, nel Regno Unito. “Renderà sicuramente l’allevamento più agile”.La ricerca di base potrebbe trarre vantaggio dal lavoro. “Avere patate diploidi aumenterà drasticamente la nostra comprensione del genoma della patata”, afferma Shannon. Sebbene le aziende in genere mantengano segrete le loro piante consanguinee, Solynta prevede di rilasciare una linea, soprannominata Solynthus, in modo che gli scienziati possano studiarne la genetica. Jansky, per esempio, spera che ulteriori ricerche possano rivelare i geni che controllano la resa, che potrebbero poi essere sfruttati per aumentare i raccolti.Gli ibridi potrebbero anche cambiare il modo in cui vengono piantate le patate, dando agli agricoltori la possibilità di seminare i campi con semi veri, perché questi sono geneticamente identici negli ibridi. Un altro vantaggio è logistico; Per piantare 10 ettari, ad esempio, sono necessari solo 200 grammi di semi facilmente trasportabili, rispetto a 25 tonnellate di tuberi ingombranti. Nei paesi in via di sviluppo, dove i tuberi da seme di qualità sono rari, i semi potrebbero anche rendere più facile per gli agricoltori ottenere piante di qualità superiore. E forse il più grande vantaggio per gli agricoltori poveri rispetto ai tuberi è che i semi non trasmettono malattie gravi.I semi di patate ibridi non sono una panacea. Le giovani piante crescono più rapidamente e vigorosamente dai tuberi che dai semi, mettendo i semi in una posizione di svantaggio in alcuni climi. Inoltre, a seconda del livello di consanguineità, le patate ibride potrebbero avere tuberi di forma meno uniforme rispetto a quelli delle piante tradizionali, un problema per gli agricoltori che riforniscono le aziende di trasformazione alimentare. Tali complessità hanno spinto il governo olandese a commissionare uno studio sui potenziali impatti socioeconomici delle patate ibride.Con i collezionisti che accumulano diversità genetica e nuove tecniche che promettono di superare le complessità del genoma della patata, i ricercatori sono ottimisti di poter apportare miglioramenti significativi. “Questo è ciò che mi fa alzare la mattina”, dice Jansky. “Non c’è momento migliore per essere un allevatore, e soprattutto per un allevatore di patate.”FINO A CHE LA COLTIVAZIONE IBRIDA e altre strategie non produrranno patate più resilienti, gli agricoltori dovranno lavorare con le risorse a portata di mano. Qui nella Valle Sacra del Perù, Ellis e altri del CIP hanno collaborato con piccoli agricoltori che appartengono a un’associazione nota come Potato Park, che si dedica alla conservazione di centinaia di varietà locali di patate. Il gruppo ha piantato quelle patate colorate in appezzamenti di prova.Alcuni soccombono ai parassiti o alla siccità, come quelli che Ellis trovò morti, mentre altri sopravvivono. Nel maggio 2018, come parte della loro ricerca di tuberi più resistenti, gli agricoltori di Potato Park hanno ammucchiato ordinatamente tuberi rossi, gialli e marroni raccolti da alcuni appezzamenti sperimentali di Ellis su file di sacchi, assegnando un punteggio a ciascuna varietà in termini di resa e salute. Gli agricoltori locali avevano abbandonato molte di queste varietà autoctone generazioni fa, quando i villaggi svanivano e si scambiavano meno piante.Riportare parte di quell’antica diversità nella coltivazione potrebbe proteggere dai cambiamenti ambientali. Nel Potato Park, negli ultimi 30 anni, gli agricoltori hanno già cercato di sfuggire ai parassiti e alle malattie che prosperano con le temperature più calde spostando la loro coltivazione a 200 metri più in alto. Ma René Gomez, curatore delle patate coltivate del CIP, avverte che la terra coltivabile è più scarsa alle altitudini più elevate.Pedro Condori Quispe, uno dei coltivatori del parco, è ottimista sul fatto che le comunità troveranno un modo per continuare a coltivare patate qui. I coltivatori di patate, dice con un sorriso, “sono abituati alle sfide”.
