Strategie di adattamento delle piante al cambiamento climatico

Climate change causes alterations in environmental factors, in the components that constitute agricultural systems and, consequently, threatens plant and animal production. At the same time, global food demand is constantly increasing, therefore it seems correct to argue that providing for humanity's nutrition is one of the great challenges of the 21st century. Current cultivars are more sensitive to climate change than their "wild parents": this weakness is a consequence of the progressive loss of genes/alleles responsible for stress resistance that occurred during crop domestication, the process implemented by humans to select and propagate plants with characteristics useful for their purposes (for example, making cultivars more productive and more palatable). Among the possible solutions to ensure agricultural production, there are plant genetic improvement strategies, the subject of my thesis. They allow the development of new cultivars adapted to new climatic conditions through two approaches: re-domestication (de novo domestication) and the reintroduction of specific wild characteristics in already cultivated plants (rewilding). In both approaches, conventional breeding methods or innovative methods can be used. Conventional methods include crossbreeding and selection, strategies that have several disadvantages, such as incompatibility cases and slow timing. On the contrary, innovative breeding methods of genetic engineering, such as genome editing, have several advantages: they allow to make more precise modifications to plants in less time, making the reintroduction and re-domestication processes more efficient. The use of these methods, however, is currently limited by social, regulatory and commercial barriers. To demonstrate the possibility of creating new cultivars adapted to climate change, two case studies were considered, one for each of the two strategies (de novo domestication and rewilding) of breeding. The first example concerns the re-domestication experiment by Zsögön and colleagues (2018) carried out on Solanum pimpinellifolium (wild ancestor of S. lycopersicum) with the CRISPR-Cas9 genome editing system. By modifying six genes of the S. pimpinellifolium genome, a productive plant was obtained that presents the traits of domestication and, at the same time, maintained the stress resistance traits typical of the wild plant of origin. The second case study concerns the experiment by Zhang and colleagues (2022), who carried out the introgression of the genes responsible for the ‘perennial’ trait through repeated cycles of crossing and selection, starting from the initial cross between the annual species Oryza sativa and the non-domesticated perennial species O. longistaminata. This resulted in PR23, a productive cultivar like domesticated rice, but capable of regrowth vigorously after harvest for several consecutive years, like wild rice. In conclusion, there are several strategies that can help sustain agricultural production, despite the growing threat posed by climate change. The results obtained from the case studies open the way to several possibilities and could therefore represent an important starting point for the design of new cultivars with traits useful for cultivation.

Il cambiamento climatico genera l’alterazione dei fattori ambientali, ovvero dei componenti che costituiscono i sistemi agricoli e, di conseguenza, minaccia le produzioni vegetali e animali. Al contempo, la richiesta alimentare globale è in costante aumento, pertanto sembra corretto sostenere che provvedere alla nutrizione dell'umanità sia una delle grandi sfide del XXI secolo. Le attuali cultivar sono più sensibili ai cambiamenti climatici rispetto ai loro “parentali selvatici”: questa debolezza è una conseguenza della progressiva perdita dei geni/alleli responsabili delle resistenze agli stress avvenuta durante la domesticazione delle colture, ovvero il processo attuato dall’uomo di selezione e di propagazione di piante con caratteristiche utili ai propri scopi (ad esempio rendendo le cultivar più produttive e più appetibili). Tra le possibili soluzioni per garantire la produzione agricola, ci sono le strategie di miglioramento genetico delle piante, oggetto della mia tesi. Esse consentono di sviluppare nuove cultivar adattate alle nuove condizioni climatiche attraverso due approcci: la ri-domesticazione (de novo domestication) e la reintroduzione di specifici caratteri selvatici in piante già coltivate (rewilding). In entrambi gli approcci si possono utilizzare metodi di miglioramento genetico convenzionali oppure metodi innovativi. I metodi convenzionali includono gli incroci e la selezione, strategie che presentano diversi aspetti negativi, come casi di incompatibilità e le tempistiche lente. Al contrario, i metodi di miglioramento genetico innovativi di ingegneria genetica, come l’editing genomico, comportano diversi vantaggi: consentono di apportare alle piante modificazioni più precise e in minor tempo, rendendo i processi di reintroduzione e di ri-domesticazione più efficienti. L'utilizzo di questi metodi, tuttavia, attualmente è limitato da barriere di natura sociale, normativa e commerciale. A dimostrazione della possibilità di creare delle nuove cultivar adattate ai cambiamenti climatici, sono stati presi in esame due casi studio, uno per ciascuna delle due strategie (de novo domestication e rewilding) di miglioramento genetico. Il primo esempio ha come oggetto l’esperimento di ri-domesticazione di Zsögön e colleghi (2018) fatto su Solanum pimpinellifolium (progenitore selvatico del S. lycopersicum) con il sistema di editing genomico CRISPR-Cas9. Modificando sei geni del genoma di S. pimpinellifolium, è stata ottenuta una pianta produttiva che presenta i tratti della domesticazione e che, al contempo, ha mantenuto i tratti di resistenza agli stress tipici della pianta selvatica di partenza. Il secondo caso di studio riguarda invece l’esperimento di Zhang e colleghi (2022), i quali hanno effettuato l'introgressione dei geni responsabili del carattere ‘perenne’ tramite ripetuti cicli di incroci e selezione, partendo dall’incrocio iniziale tra la specie annuale Oryza sativa e la specie perenne non domesticata O. longistaminata. È stata così ottenuta PR23, una cultivar produttiva come il riso domesticato, ma capace di ricrescere vigorosamente dopo il raccolto per più anni consecutivi, come il riso selvatico. In conclusione, esistono diverse strategie che possono contribuire a sostenere la produzione agricola, nonostante la crescente minaccia rappresentata dai cambiamenti climatici. I risultati ottenuti dai casi studio aprono, infatti, la strada a diverse possibilità e potrebbero dunque rappresentare un importante punto d’esordio per la progettazione di nuove cultivar con tratti utili per la coltivazione.