Per nutrire il mondo, migliora la fotosintesi

WHITTEN SABBATINI

All'interno di una mite serra nell'Illinois centrale, una coppia chiassosa ma concentrata di ricercatori sta seminando piante sperimentali. Gli scienziati inumidiscono il terreno e lo confezionano in vasi, quindi rovesciano con cura minuscoli semi di tabacco marrone scuro da fiale di vetro. Nei mesi a seguire, i ricercatori sposteranno le piante all'esterno in un campo e osserveranno se crescono più grandi o più velocemente del solito, un passo cruciale per nutrire il mondo del 2050.

Queste piante di tabacco sono state progettate a un livello più fondamentale rispetto alle tipiche colture biotecnologiche. Il modo in cui conducono la fotosintesi è stato modificato in modo da convertire la luce solare e l'anidride carbonica in modo più efficiente in carboidrati. Se gli scienziati lo facessero nelle colture alimentari, ogni dato appezzamento di terra potrebbe produrre più cibo o produrre la stessa quantità di cibo con meno acqua e fertilizzanti.

Questa storia faceva parte del nostro numero di settembre 2017

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Il bisogno è urgente. Per nutrire una popolazione in crescita, i progetti delle Nazioni Unite, le rese agricole mondiali devono aumentare del 50 per cento da qui al 2050. E questo obiettivo ambizioso non tiene conto degli effetti del cambiamento climatico. Le piante prosperano grazie all'anidride carbonica, ma le giornate molto calde sopprimono i raccolti. In molte parti del mondo, l'aumento delle temperature e l'aumento della siccità causati dai cambiamenti climatici saranno devastanti. E questi effetti negativi avranno il maggiore impatto sui poveri, afferma Steve Long, direttore del progetto Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE), un consorzio internazionale con sede presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign.

Il progetto RIPE, finanziato dalla Bill and Melinda Gates Foundation, inizia con il tabacco perché è relativamente facile da ingegnerizzare geneticamente. Ma il vero obiettivo di RIPE è migliorare i raccolti di colture alimentari come la manioca e i fagioli dall'occhio, che sono importanti fonti di calorie e proteine ​​in molti paesi poveri. E sta lavorando a cambiamenti molto più ambiziosi del metabolismo delle piante rispetto a quanto fatto prima.

Gli agronomi non hanno ancora spinto la fotosintesi al limite. Questo nonostante il fatto che questo processo biochimico in 160 fasi sia molto ben studiato e sorprendentemente inefficiente: le piante convertono meno del 5% dell'energia della luce solare in biomassa. Una parte ancora più piccola viene investita nelle parti di piante che le persone amano mangiare: semi, tuberi, fagioli. L'agricoltura moderna ha migliorato enormemente i raccolti grazie a fertilizzanti, pesticidi e allevamenti tradizionali. Ora i guadagni sono più difficili da ottenere. Ecco perché il gruppo RIPE sta prendendo di mira le inefficienze nel metabolismo delle piante. (Altri ricercatori stanno provando variazioni sulla stessa idea; vedere 10 Breakthrough Technologies 2015: Supercharged Photosintesi.)

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L'anno scorso, i ricercatori RIPE hanno dimostrato per la prima volta che era possibile migliorare i raccolti in campo ingegnerizzando la fotosintesi. Aumentando i livelli di espressione di tre geni coinvolti nell'elaborazione della luce, hanno migliorato la resa del tabacco del 20%.

Ora il team RIPE sta cercando di utilizzare lo stesso trucco di ingegneria genetica per aumentare i raccolti in colture alimentari più recalcitranti. Realizzarlo nella manioca spetta in parte ad Amanda De Souza, una postdoc brasiliana.

L'ingegneria genetica della fotosintesi nella manioca è un processo delicato e lungo. De Souza apre una capsula di Petri per mostrare gli embrioni di manioca, grappoli giallo chiaro larghi circa un millimetro. Li coltiva usando il tessuto strappato da un germoglio su una pianta di manioca adulta. Questo gruppo di cellule, chiamato callo, può essere infettato da batteri che trasportano i geni di elaborazione della luce. Solo poche cellule assorbiranno effettivamente i geni. Quelli che lo fanno saranno quindi esposti a un cocktail di ormoni che li spingerà a far crescere uno stelo e radici.

Nella manioca, questa trasformazione genetica richiede da 8 a 10 mesi, cioè se tutto va bene. Altre colture alimentari chiave, tra cui riso e piselli dall'occhio, sono un po' più veloci.

In fondo al corridoio, De Souza apre una stanza simile a un armadio inondata di luce solare artificiale. Sugli scaffali, giovani piante di manioca crescono in barattoli di plastica, le cui radici sono circondate da un gel nutriente che verrà raccolto a mano prima che le piante possano entrare nel terreno.

I campi sperimentali di RIPE sono a 10 minuti di auto dai laboratori. In questa parte del paese, le fattorie coltivano principalmente soia e mais. Spetta a David Drag, responsabile delle prove sul campo di RIPE, capire come il suolo dell'Illinois centrale possa coltivare colture come manioca e riso. Per un progetto un collaboratore lo ha aiutato a costruire una risaia. Ma nel 2015, ricorda mesto, ha visto uno dei progetti chiave di RIPE annegare in un forte temporale di fine stagione, nonostante gli sforzi del team per scavare trincee e dighe. Un anno di lavoro è andato perduto, un umiliante promemoria del fatto che anche la scienza agraria più avanzata è ancora alla mercé della natura.

Le piante di tabacco ingegnerizzate in questa serra sono abbinate a sacchetti per raccogliere i semi che lasciano cadere, da utilizzare in test futuri.

A sinistra: questo robot si manovra da solo attraverso i campi per misurare la biomassa e altri aspetti della crescita delle piante.
A destra: questo apparato, fissato su una foglia di tabacco, sonda il metabolismo della pianta. Misura la temperatura e l'umidità sulla superficie della foglia e aspira ossigeno e altri gas emessi dalla foglia in un analizzatore chimico.

Queste giovani piante di manioca sono state geneticamente modificate per elaborare la luce solare in modo più efficiente.

A sinistra: parte della ricerca di base sulla biologia molecolare della fotosintesi viene svolta sulle alghe nelle piastre di Petri. A destra: una mappa della clorofilla in una pianta, realizzata da un imager a fluorescenza.

A sinistra: un imager a fluorescenza espone le piante a lampi di luce intensa per misurare la velocità con cui rispondono ai cambiamenti dei livelli di luce.
A destra: una vista all'interno dell'imager a fluorescenza.

Questi esperimenti hanno contribuito a stabilire che le piante di tabacco producono raccolti più elevati se possono disattivare più rapidamente la produzione di una protezione solare molecolare quando i livelli di luce diminuiscono. Le piante che si comportano bene in questi esperimenti passano alle prove sul campo.

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