Center of Statistical Genetics S. Presciuttini – Univ. of Pisa Due grandi “rivoluzioni verdi” nella storia dell'uomo Silvano Presciuttini This document.

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1 Center of Statistical Genetics S. Presciuttini – Univ. of Pisa Due grandi “rivoluzioni verdi” nella storia dell'uomo Silvano Presciuttini This document is licensed under the Attribution-NonCommercial-ShareAlike 2.5 Italy license, available athttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.5/it/

2 Center of Statistical Genetics S. Presciuttini – Univ. of Pisa Riassunto Le cosiddette due rivoluzioni verdi sono quella degli anni '60 e quella “biotecnologica”, attualmente in corso o promessa per i prossimi decenni Le cosiddette due rivoluzioni verdi sono quella degli anni '60 e quella “biotecnologica”, attualmente in corso o promessa per i prossimi decenni In effetti, la prima vera, grande rivoluzione verde è stata quella della domesticazione delle piante alimentari nel Neolitico In effetti, la prima vera, grande rivoluzione verde è stata quella della domesticazione delle piante alimentari nel Neolitico E una seconda grande rivoluzione verde è quella iniziata nella seconda metà del '900, che continua tuttora con metodi via via più raffinati (inclusa l'ingegneria genetica) E una seconda grande rivoluzione verde è quella iniziata nella seconda metà del '900, che continua tuttora con metodi via via più raffinati (inclusa l'ingegneria genetica) Cioè quella che ora chiamiamo "seconda rivoluzione verde", quella degli OGM, non è altro che un'estensione delle tecniche di miglioramento genetico dei vegetali rese possibili dalla scienza contemporanea. Cioè quella che ora chiamiamo "seconda rivoluzione verde", quella degli OGM, non è altro che un'estensione delle tecniche di miglioramento genetico dei vegetali rese possibili dalla scienza contemporanea.

3 Center of Statistical Genetics S. Presciuttini – Univ. of Pisa Le due rivoluzioni verdi La Rivoluzione Verde degli anni '50 e '60 del secolo scorso, è consistita nella pratica della monocultura di piante geneticamente migliorate e nell'introduzione di tecniche di agricoltura intensiva (fertilizzanti, pesticidi, irrigazione, meccanizzazione, ecc.) La Rivoluzione Verde degli anni '50 e '60 del secolo scorso, è consistita nella pratica della monocultura di piante geneticamente migliorate e nell'introduzione di tecniche di agricoltura intensiva (fertilizzanti, pesticidi, irrigazione, meccanizzazione, ecc.) La seconda rivoluzione verde sta avvenendo al giorno d'oggi, e consiste nello sviluppo di piante geneticamente modificate, adattate a produrre di più in condizioni di minimo apporto di risorse (acqua, prodotti chimici ed energia) La seconda rivoluzione verde sta avvenendo al giorno d'oggi, e consiste nello sviluppo di piante geneticamente modificate, adattate a produrre di più in condizioni di minimo apporto di risorse (acqua, prodotti chimici ed energia)  La Prima Rivoluzione Verde degli anni '60 culminò con un enorme aumento dei due cereali maggiormente coltivati nel mondo, il grano e il riso (...) Il risultato è stato che la fame in molti paesi in via di sviluppo è stata sconfitta o molto ridotta. Ora stiamo per affrontare un altro periodo di scarsità di cibo. (...) Essenzialmente, abbiamo bisogno di una Seconda Rivoluzione Verde. (...) Una delle questioni più importanti è che questa seconda rivoluzione deve essere ambientalmente sostenibile. (Editorial, AU Journal of Technology, 5 (2), 2001)

4 Center of Statistical Genetics S. Presciuttini – Univ. of Pisa La “prima” Rivoluzione Verde “... in gran parte del mondo in via di sviluppo, particolarmente in Asia, siamo sul punto di una rivoluzione agricola: ...con un raccolto record di 7,5-8 milioni di tonnellate di nuove varietà di grano, il Pakistan può raggiungere l'autosufficienza nella produzione di cereali l'anno prossimo ...l' India raccoglie quest'anno più di 95 milioni di tonnellate di cereali, un record, e potrebbe ragiungere l'autosufficienza nel giro di 3 o 4 anni... ... La turchia può aumentare il raccolto di 2 o 3 volte usando le nuove varietà di grano; l'anno scorso il raccolto è stato un nuovo record... ...le Filippine stanno chiaramente per raggiungere l'autosufficienza per il riso Questi e altri sviluppi in agricoltura segnano l'avvento di una nuova rivoluzione. Non è una rivoluzione rossa violenta come quella russa, e nemmeno una rivoluzione bianca come quella dello Scià in Iran. Io la chiamo la Rivoluzione Verde”

5 Center of Statistical Genetics S. Presciuttini – Univ. of Pisa Il felice conio di un termine The Green Revolution: Accomplishments and Apprehensions Conferenza di William S. Gaud Agency for International Development (USAID) The Society for International Development Shorehan Hotel, Washington, DC March 8, 1968 (From C.S. Prakash: Now you know the rest of the story. Amazing words indeed and all this in 1968! I thank Dr. Norman Borlaug for sending me the print copy of this lecture and Ms. Salimata, graduate student at Tuskegee for typing this..) http://www.agbioworld.org/biotech-info/topics/borlaug/borlaug-green.html

6 Center of Statistical Genetics S. Presciuttini – Univ. of Pisa Evoluzione dell'agricoltura In effetti la prima vera rivoluzione verde è stata quella della “scoperta” dell'agricoltura In effetti la prima vera rivoluzione verde è stata quella della “scoperta” dell'agricoltura Il Neolitico comincia circa 10.000 BC e viene considerato un periodo rivoluzionario nella storia della cultura umana. In questo periodo l’uomo ha attraversato la transizione tra l’attività di caccia e raccolta alla produzione di cibo, da uno stile di vita nomadico ad uno residenziale. La vita stanziale che è derivata dall’agricoltura ha provocato la formazione dei primi villaggi, e più tardi delle città. Il Neolitico comincia circa 10.000 BC e viene considerato un periodo rivoluzionario nella storia della cultura umana. In questo periodo l’uomo ha attraversato la transizione tra l’attività di caccia e raccolta alla produzione di cibo, da uno stile di vita nomadico ad uno residenziale. La vita stanziale che è derivata dall’agricoltura ha provocato la formazione dei primi villaggi, e più tardi delle città. La densità delle popolazioni umane di caccia-raccolta è stimata in meno di 1 abitante/km2 La densità delle popolazioni umane di caccia-raccolta è stimata in meno di 1 abitante/km2 L'agricoltura, anche con tecniche primitive, aumenta la capacità portante del territorio di almeno un ordine di grandezza, e probabilmente anche più L'agricoltura, anche con tecniche primitive, aumenta la capacità portante del territorio di almeno un ordine di grandezza, e probabilmente anche più Prima rivoluzione verde Seconda rivoluzione verde

7 Center of Statistical Genetics S. Presciuttini – Univ. of Pisa La prima vera rivoluzione verde (la prima esplosione demografica umana) In effetti la prima vera rivoluzione verde è stata la “scoperta” dell'agricoltura e la domesticazione delle piante e degli animali In effetti la prima vera rivoluzione verde è stata la “scoperta” dell'agricoltura e la domesticazione delle piante e degli animali  Il Neolitico (da 10.000 a 5000 anni AC) è un periodo rivoluzionario nella storia della cultura umana. Avviene la transizione dalla sussistenza per caccia e raccolta alla produzione del cibo, e dalla vita nomadica a quella residenziale. La vita necessariamente stanziale dell’agricoltura provoca la formazione dei primi villaggi, e più tardi delle città. La densità delle popolazioni umane dedite a caccia e raccolta è stimata in meno di 1 abitante/km 2 La densità delle popolazioni umane dedite a caccia e raccolta è stimata in meno di 1 abitante/km 2 L'agricoltura, anche con tecniche primitive, aumenta la capacità portante del territorio di almeno un ordine di grandezza, e probabilmente di più L'agricoltura, anche con tecniche primitive, aumenta la capacità portante del territorio di almeno un ordine di grandezza, e probabilmente di più Intorno al 4000 A.C. la densità della popolazione nell'area coltivabile del Nilo è stimata in circa 20 abitanti/km 2. Intorno al 4000 A.C. la densità della popolazione nell'area coltivabile del Nilo è stimata in circa 20 abitanti/km 2.

8 Center of Statistical Genetics S. Presciuttini – Univ. of Pisa La domesticazione delle piante coltivate Quasi tutte le piante che sono oggi utilizzate per la produzione di cibo sono state addomesticate e selezionate in tempi preistorici. Quasi tutte le piante che sono oggi utilizzate per la produzione di cibo sono state addomesticate e selezionate in tempi preistorici. Come conseguenza del processo di domesticazione il genoma di molte piante coltivate è stato talmernte modificato che non se ne conosce con certezza la specie selvatica da cui si sono originate. Come conseguenza del processo di domesticazione il genoma di molte piante coltivate è stato talmernte modificato che non se ne conosce con certezza la specie selvatica da cui si sono originate. I biotecnologi che hanno introdotto il massimo della modificazione genetica delle piante sono stati indubbiamente gli agricoltori del Neolitico I biotecnologi che hanno introdotto il massimo della modificazione genetica delle piante sono stati indubbiamente gli agricoltori del Neolitico Uno degli aspetti principali della domesticazione è l'impossibilità delle piante coltivate di sopravvivere in natura Uno degli aspetti principali della domesticazione è l'impossibilità delle piante coltivate di sopravvivere in natura

9 Center of Statistical Genetics S. Presciuttini – Univ. of Pisa Modificazioni delle piante dovute alla domesticazione Cambiamenti fisiologici Cambiamenti fisiologici  Indeiscenza  Ridotta dormienza del seme  Ciclo vitale più breve  Minore ramificazione  Indipendenza dal fotoperiodo/vernalizzazione  Riduzione dei meccanismi di difesa, sia fisici che chimici Cambiamenti genetici Cambiamenti genetici  Autopoliploidia (se la fertilità non è essenziale)  Allopoliploidia (se la fertilità è importante)  Nuove mutazioni  Propagazione clonale  Tolleranza all'inincrocio

10 Center of Statistical Genetics S. Presciuttini – Univ. of Pisa L'origine genetica del grano tenero ( Triticum aestivum) Un esempio di domesticazione attraverso ripetuti eventi di ibridizzazione e successiva allopoliploidizzazione. Il grano tenero coltivato (usato per fare il pane), Triticum aestivum, è un esaploide: contiene tre genomi diploidi, indicati come AABBDD, che sono derivati rispettivamente dalle specie selvatiche T. monococcum, Aegilops speltoides ed Ae. squarrosa.

11 Center of Statistical Genetics S. Presciuttini – Univ. of Pisa “Ingegneria genetica” per introgressione Il Triticum dicoccum è il farro, uno dei primi cereali addomesticati in Medio-Oriente, che grazie alla sua rusticità viene coltivato nelle zone montuose in Italia. Mediante l'ibridazione con la graminacea spontanea Aegilops squarrosa, e successiva poliploidizzazione, è stata creata la nuova specie T. aestivum, che è esaploide Il Triticum dicoccum è il farro, uno dei primi cereali addomesticati in Medio-Oriente, che grazie alla sua rusticità viene coltivato nelle zone montuose in Italia. Mediante l'ibridazione con la graminacea spontanea Aegilops squarrosa, e successiva poliploidizzazione, è stata creata la nuova specie T. aestivum, che è esaploide Il genoma della specie selvatica conteneva alleli che producono glutenine di alto peso molecolare, che combinati con gli alleli già presenti nel farro, hanno conferito le proprietà superiori per la panificazione caratteristiche del grano esaploide. Il genoma della specie selvatica conteneva alleli che producono glutenine di alto peso molecolare, che combinati con gli alleli già presenti nel farro, hanno conferito le proprietà superiori per la panificazione caratteristiche del grano esaploide. Questo meccanismo di trasferimento di geni utili da una specie ad un'altra prende il nome di introgressione, che è uno dei metodi utilizzati intenzionalmente nel miglioramento genetico vegetale prima dell'avvento dell'ingegneria genetica. Questo meccanismo di trasferimento di geni utili da una specie ad un'altra prende il nome di introgressione, che è uno dei metodi utilizzati intenzionalmente nel miglioramento genetico vegetale prima dell'avvento dell'ingegneria genetica.

12 Center of Statistical Genetics S. Presciuttini – Univ. of Pisa Ingegneria genetica propriamente detta Un libro sulla chimico-fisica dell'impasto da pane (il ruolo combinato delle gliadine e glutenine nel conferire prioprietà reologiche uniche al glutine del grano). Un capitolo affronta le potenzialità della manipolazione genetica per studiare l'interazione proteine-glutine United States Patent 6638552 “Questa invenzione riguarda metodi di miglioramento della farina mediante l'alterazione del contenuto di glutenina dei semi delle piante, in particolare del grano. L'invenzione consiste nella metodologia di introduzione in una pianta parentale di un costrutto ricombinante che include un gene della glutenina”

13 Center of Statistical Genetics S. Presciuttini – Univ. of Pisa La seconda grande rivoluzione verde (la seconda esplosione demografica umana) Perchè la seconda grande rivoluzione verde, quella iniziata negli anni '50 del secolo scorso, dovrebbe essere considerata come un tutt'uno, includendo anche le attuali tecniche di trasferimento diretto di DNA nella linea germinale? Perchè la seconda grande rivoluzione verde, quella iniziata negli anni '50 del secolo scorso, dovrebbe essere considerata come un tutt'uno, includendo anche le attuali tecniche di trasferimento diretto di DNA nella linea germinale? Perchè l'enorme aumento della produttività agricola che si è realizzata nella seconda metà del secolo scorso ha fatto e fa uso di tutte le conoscenze scientifiche che sono state acquisite nel corso della prima metà del secolo e che continuano ad accrescersi Perchè l'enorme aumento della produttività agricola che si è realizzata nella seconda metà del secolo scorso ha fatto e fa uso di tutte le conoscenze scientifiche che sono state acquisite nel corso della prima metà del secolo e che continuano ad accrescersi Non c'è motivo di considerare una particolare tecnologia, nel caso dei cosiddetti OGM il trasferimento diretto di geni, come ontologicamente diversa da qualsiasi altra tecnica di manipolazione genetica, ad esempio l'introgressione per via di ibridazione Non c'è motivo di considerare una particolare tecnologia, nel caso dei cosiddetti OGM il trasferimento diretto di geni, come ontologicamente diversa da qualsiasi altra tecnica di manipolazione genetica, ad esempio l'introgressione per via di ibridazione

14 Center of Statistical Genetics S. Presciuttini – Univ. of Pisa Un effetto della rivoluzione verde Il grafico mostra che mentre la produzione per ettaro è aumentata, la superficie destinata ai cereali è rimasta costante; questo perchè la terra coltivabile è una risorsa finita

15 Center of Statistical Genetics S. Presciuttini – Univ. of Pisa Le biotecnologie della seconda rivoluzione verde Fra le biotecnologie che hanno reso e rendono possibile la seconda grande rivoluzione verde si possono includere: Fra le biotecnologie che hanno reso e rendono possibile la seconda grande rivoluzione verde si possono includere:  La mutagenesi del germoplasma con radiazioni ionizzanti (raggi gamma) o mutageni chimici  La costruzione di linee totalmente omozigoti per sfruttare il vigore dell'ibrido  La selezione basata su marcatori molecolari (Marker Assisted Selection)  Le tecniche transgeniche

16 Center of Statistical Genetics S. Presciuttini – Univ. of Pisa Conclusioni Le moderne piante coltivate sono il prodotto di due principali fasi di selezione: Le moderne piante coltivate sono il prodotto di due principali fasi di selezione: 1) La scelta empirica da parte degli agricoltori del Neolitico delle specie e delle forme più utili all'alimentazione umana, con la conseguente modificazione genetica che ha portato alla domesticazione e la successiva selezione delle caratteristiche fenotipiche più interessanti; questa fase ha consentito la prima esplosione demografica umana e la nascita delle civiltà 1) La scelta empirica da parte degli agricoltori del Neolitico delle specie e delle forme più utili all'alimentazione umana, con la conseguente modificazione genetica che ha portato alla domesticazione e la successiva selezione delle caratteristiche fenotipiche più interessanti; questa fase ha consentito la prima esplosione demografica umana e la nascita delle civiltà 2) La selezione mirata di varietà specifiche sulla base della conoscenza scientifica e dei principi dell'eredità da parte delle società più sviluppate, in cui la genomica assume un ruolo sempre più determinante; è questa la fase che dovrebbe consentire di far sopravvivere l'umanità e l'ecosistema globale alla seconda grande esplosione demografica attualmente in atto 2) La selezione mirata di varietà specifiche sulla base della conoscenza scientifica e dei principi dell'eredità da parte delle società più sviluppate, in cui la genomica assume un ruolo sempre più determinante; è questa la fase che dovrebbe consentire di far sopravvivere l'umanità e l'ecosistema globale alla seconda grande esplosione demografica attualmente in atto