Tecnologia Spray-Induced Gene Silencing – meccanismi e applicazioni per un’agricoltura più sicura ed ecosostenibile

Today's agricultural practices are proving to be unsustainable from an environmental perspective due to excessive use of pesticides, to deal with increasing infestations of pests, and fertilizers to remedy the increase in soil infertility. In this context, it is imperative to find more environmentally sustainable solutions to the problems affecting crops worldwide. In addition to the use of classical genetic improvement technologies (including molecular marker-assisted methods), some methods such as transgenesis and HIGS (Host-Induced Gene Silencing) represent an additional possibility to obtain plants with desirable traits. However, in many countries where genetically modified (GM) plants cannot be grown, the use of these new techniques is limited to research purposes because the products would be labeled as genetically modified organisms (GMOs). However, the invention of the new SIGS (Spray-Induced Gene Silencing) technology, which is inspired by HIGS because both use the mechanism of RNA interference, does not produce GM plants, making this technique a valid environmentally friendly alternative to the use of pesticides that cause environmental pollution. The objective of this work is therefore to present the effectiveness and mechanisms of action of SIGS technology in three contexts characterized by different pathogens/pests, while also focusing on the methods of application of genetic material on the leaf surface. Initially, the efficiency of SIGS technology is analyzed on samples of Vitis vinifera while verifying the preventive protection and the induced healing process on samples infected with Plasmopara viticola. Subsequently, a technique for applying dsRNA molecules to the leaf surface is considered, through the use of BioClay (double-layer hydroxide nanosheets, "Layered Double Hydroxide" or LDH), verifying its protective effect in Arabidopsis thaliana and Nicotiana tabacum samples infected with PMMoV (Pepper Mild Mottle Virus) and CMV (Cucumber Mosaic Virus). Finally is analyzed the ability of the SIGS technique, once again mediated by LDH nanosheets, to reduce the impact of fungal infection caused by Rhizoctonia solani in two different plant species, Nicotiana benthamiana and Zea mays. Through the presentation of these case studies, the purpose is to expose the main innovative aspects of this new technology, without neglecting a critical analysis of the limitations imposed by today's technological knowledge.

Le pratiche agricole in uso al giorno d’oggi si stanno rivelando insostenibili a livello ambientale a causa di un uso smoderato di pesticidi, per far fronte alle sempre più frequenti infestazioni da parassiti, e di fertilizzanti per porre rimedio all’aumento dell’infertilità dei suoli. In questo contesto è imperativo trovare soluzioni più ecosostenibili ai problemi che colpiscono le colture in tutto il mondo. Oltre all’utilizzo delle tecnologie di miglioramento genetico classico (anche assistito da marker molecolari), alcuni metodi come la transgenesi e l’HIGS (Host-Induced Gene Silencing) rappresentano un’ulteriore possibilità per ottenere piante con le caratteristiche d’interesse. Ciononostante, in molti paesi dove le piante geneticamente modificate (GM) non possono essere coltivate, l’uso di queste nuove tecniche è limitato all’ambito della ricerca, poiché i prodotti verrebbero etichettati come organismi geneticamente modificati (OGM). Tuttavia, l’invenzione della nuova tecnologia SIGS (Spray-Induced Gene Silencing), che si ispira alla HIGS in quanto entrambe usano il meccanismo dell’RNA interference, non produce piante GM, rendendo questa tecnica una valida alternativa ecosostenibile all’utilizzo dei pesticidi che causano inquinamento ambientale. L’obiettivo di questo elaborato consiste, dunque, nel presentare l’efficacia e i meccanismi d’azione della tecnologia SIGS in tre contesti caratterizzati da agenti patogeni/parassiti diversi, focalizzando anche l’attenzione sui metodi di applicazione del materiale genetico sulla superficie fogliare. Inizialmente viene analizzata l’efficienza della tecnologia SIGS su campioni di Vitis vinifera verificando al contempo la protezione preventiva e il processo di guarigione indotta su campioni infettati dall’oomicete Plasmopara viticola. Successivamente viene presa in considerazione una tecnica di applicazione di molecole di dsRNA sulla superficie fogliare, attraverso l’uso di BioClay (nano-fogli di idrossidi a doppio strato, “Layered Double Hydroxide” o LDH), verificandone l’effetto protettivo in campioni di Arabidopsis thaliana e Nicotiana tabacum infettati da PMMoV (Pepper Mild Mottle Virus) e CMV (Cucumber Mosaic Virus). Infine, si analizza la capacità della tecnica SIGS, nuovamente mediata dai nano-fogli LDH, di ridurre l’impatto dell’infezione fungina provocata da Rhizoctonia solani in due diverse specie vegetali, Nicotiana benthamiana e Zea mays. Attraverso la presentazione di questi casi di studio, ci si propone di esporre i principali aspetti innovativi di questa nuova tecnologia, considerando anche l’analisi critica dei limiti imposti dalle conoscenze tecnologiche odierne.