Nel 2050 si stima che la popolazione mondiale aumenterà fino 10 miliardi di abitanti o più. La domanda mondiale di cibo raddoppierà mentre la quantità di terreni coltivabili pro-capite diminuirà a causa della desertificazione di larghe aree. La soluzione è di aumentare la produttività in raccolti per ettaro. Nell’ultimo secolo, il miglioramento è stato ottenuto, durante la rivoluzione verde, sviluppando varietà in grado di assorbire meglio le sostanze nutritive dal terreno o che avessero semi più grandi e numerosi, ma queste strategie hanno quasi esaurito il potenziale per un ulteriore miglioramento.
L’unica strategia alternativa finora individuata è il miglioramento del processo fondamentale attraverso il quale l’energia solare viene usata per trasformare l’anidride carbonica in cibo e biocombustibili: la fotosintesi clorofilliana. Questo stesso processo produce anche l’ossigeno indispensabile alla respirazione di tutti gli altri organismi. Il limite della fotosintesi è che è avvelenata da uno dei suoi prodotti: l’ossigeno. La reazione dell’ossigeno con alcune delle specie chimiche formate durante l’assorbimento della luce produce delle specie chimiche tossiche per le piante e lo fanno tanto più quanto l’intensità della luce fluttua, come avviene normalmente in una coltura in cui le foglie sovrastanti ombreggiano quelle più vicine al terreno.
La natura ha già trovato delle soluzioni per questo problema: i muschi, per esempio, crescono nel sottobosco a luce molto bassa, interrotta da flash di luce intensa al movimento delle fronde degli alberi rispetto alla posizione solare. Abbiamo cercato di capire come i muschi si proteggano in queste condizioni che risultano tossiche per le altre piante e scoperto che ciò avviene attivando dei geni che codificano per delle proteine “speciali” (chiamate LHCB9.1 e LHCB9.2), le quali aumentano la capacità del fotosistema 1 di assorbire fotoni equilibrando l’assorbimento di energia da parte del fotosistema 2, il quale assorbe meglio la luce diretta del sole. Siccome i due fotosistemi funzionano come i due componenti di un tandem, il flusso di energia può procedere senza squilibri e quindi senza creare tossine. Condizioni di squilibrio causano invece un corto-circuito con l’ossigeno e la foto-inibizione, che diminuisce la produttività.
Trovati i geni coinvolti, si sta ora procedendo a introdurli nelle piante coltivate in modo che possano rendere meglio nei campi quando sono coltivate ad alta densità. I muschi sono antenati delle piante attuali le quali, nella loro evoluzione hanno perso i geni in questione abituandosi a crescere in piena luce: evitando l’ombreggiamento reciproco. L’agricoltura moderna ha bisogno di alta densità, è ovvio, ma per crescere a questa condizione le piante attuali hanno bisogno di recuperare i geni della loro tradizione che permettevano loro di crescere anche all’ombra. Questi sono solo due dei molti geni dei muschi che possiamo utilizzare per trovare soluzioni per migliorare le nostre piante.
Questo lavoro è stato condotto nel Laboratorio di Fotosintesi e Bioenergie del Dipartimento di Biotecnologie dell’Università di Verona con l’aiuto di un team internazionale di laboratori finanziato da un progetto della comunità europea chiamato S2B (Solar to Biomass).
Il primo autore della ricerca è la dr.ssa Alberta Pinnola, recentemente reclutata come ricercatore (RTDB) al dipartimento di Biologia e Biotecnologie “L. Spallanzani” dell’Università di Pavia dove svilupperà un suo autonomo progetto di ricerca sul miglioramento delle piante coltivate e delle alghe ispirandosi alle soluzioni trovate dai muschi 400 milioni di anni fa, quando per primi hanno lasciato le acque per colonizzare le terre emerse. Per riuscirci hanno dovuto inventare soluzioni nuove che si trovano ancora nel loro genoma e a cui possiamo attingere per migliorare le nostre piante.
La ricerca “A LHCB9-dependent photosystem I megacomplex induced under low light in Physcomitrella patens” dal 29 ottobre 2018 è pubblicata sul sito “Nature Plants” (Springer Nature).
Sito “Nature Plants”: https://www.nature.com/articles/s41477-018-0270-2
