Parte 1 150 Biologia applicata, Biotecnologie, Agroambiente PRODUZIONI PI ABBONDANTI La scarsa disponibilità di cibo in vaste aree del mondo e la crescita della popolazione umana pongono come prioritaria la produttività delle piante. Una pianta ha una buona resa se è ben nutrita attraverso la nutrizione sia organica sia minerale. La ricerca è volta a migliorare la fotosintesi e l azotofissazione esistente, e a indurre nuove piante a compierla. Piante transgeniche per il miglioramento della fotosintesi: migliorare complessivamente il rendimento della fotosintesi vuol dire migliorare la produttività di una pianta. Le prove in laboratorio hanno evidenziato che l intensità luminosa, la disponibilità di anidride carbonica e l acqua funzionano come fattori limitanti; quindi, quando tutti i fattori ambientali vengono portati ai valori ottimali, si riesce ad aumentare l attività fotosintetica. Oltre un determinato livello, tuttavia, l attività della fotosintesi non aumenta più e ciò è causato da foto-ossidazione della clorofilla, alterazione dei colloidi plasmatici, inattivazione delle proteine enzimatiche, accumulo dell amido primario che occupa un determinato spazio nella matrice del plastidio e quando è in eccesso danneggia l apparato fotosintetico. La sintesi proteica per ripristinare le proteine danneggiate non è sufficientemente veloce e in questo caso si parla di stanchezza del plastidio. Per questo motivo si cerca di intervenire direttamente sulle cellule e di rendere più efficienti molti dei passaggi chiave nelle reazioni biochimiche fotosintetiche. La biologia molecolare ha portato a chiarire le basi genetiche della fotosintesi in organismi semplici come l alga unicellulare Chlamydomonas [ 54 ] e si pensa di poter giungere nei prossimi anni a manipolare anche l apparato fotosintetico delle piante superiori. Piante transgeniche autofertilizzanti: l elevato costo di produzione dei fertilizzanti organici ha richiamato grande interesse sul problema della fissazione biologica dell azoto. L azoto è il componente indispensabile per la sintesi delle sostanze organiche, come le proteine e i nucleotidi, ed è necessario a tutti gli esseri viventi. Nonostante costituisca il 78% dell atmosfera, solo pochi procarioti, alghe azzurre, batteri liberi (Clostridium) o in associazioni con leguminose (Rhyzobium), sono in grado di ridurre l azoto atmosferico in ammoniaca e di incorporarlo direttamente in amminoacidi. Questo processo, detto fissazione dell azoto, ha come componente fondamentale un enzima, la nitrogenasi, ed è molto dispendioso dal punto di vista energetico, poiché, per ridurre una sola molecola di azoto, sono necessari 25-30 ATP. Batteri come Rhyzobium meliloti, R. leguminosarum, R. japonicum, Azotobacter chroococcum, Azospirillum brasilense, Clostridium pasteurianum, Rhodopseudomonas capsulata, Anabaena, Gloeothece, Calothrix sono oggetto di ricerca, ma è soprattutto il Klebsiella pneumoniae ad essere utilizzato come modello. Sono stati isolati i geni responsabili dell azotofissazione e ne sono stati identificati ben 17, denominati Nif (Nitrogen fixing) [ 55 ]. La ricerca si sviluppa su due fronti. 1. Migliorare l efficienza del processo di azotofissazione: per raggiungere questo effetto è necessario individuare i geni sia del batterio sia della pianta coinvolti nella simbiosi; occorre, infatti, comprendere le fasi di infettività, riconoscimento pianta-batterio, specificità dell ospite. Gli interventi sono: sui plasmidi dei batteri, per costruire plasmidi in grado di migliorare la capacità di formare noduli e di fissare l azoto; sui geni della pianta ospite, che controllano lo sviluppo dei noduli e sulla capacità della pianta di selezionare nella popolazione i rizobi migliori; Batteri di Rhyzobium Filamento di infezione Pelo radicale Cilindro centrale della radice a Zona meristematica Zona di invasione Zona di fissazione dell azoto Nif Zona di senescenza 54 Una nuova varietà artificiale di microalga semplice, Chlamydomonas, è stata modificata con l inserimento del gene della luciferasi e ha acquisito la caratteristica di illuminarsi e spegnersi con all aggiunta di alcuni sali al mezzo di coltura. Questa nuova varietà di alghe potrebbe permettere in futuro un doppio utilizzo: organicazione della CO2 prodotta dagli scarichi industriali (riducendo l effetto serra) e produzione di biomassa che potrà essere trasformata in biodiesel e idrogeno. 0110.Parte1_Cap_04.indd 150 b 55 La fissazione biologica dell azoto per azione del Rhyzobium (a) comporta l espressione di particolari geni detti Nif (b). 26/02/21 17:03