Una delle sfide che le società moderne devono affrontare è quella di conciliare la sicurezza alimentare con la tutela dell’ambiente e della biodiversità. Parassiti e malattie minacciano i raccolti, motivo per cui in agricoltura si utilizzano pesticidi chimici. Tuttavia, i pesticidi possono ridurre la diversità delle specie di insetti. È qui che la resistenza associativa potrebbe fornire un rimedio come metodo di coltivazione per garantire la produzione alimentare preservando la biodiversità", afferma Kentaro Shimizu, direttore dell’Istituto di biologia evolutiva e scienze ambientali dell’Università di Zurigo (UZH).
Ma quali sono le combinazioni di piante con genotipi diversi - il patrimonio genetico individuale - da mettere a dimora in popolamenti misti per scongiurare parassiti e malattie? Ad esempio, se si vogliono selezionare due genotipi su un totale di 199, ci sono 19.701 combinazioni possibili. I ricercatori hanno ora sviluppato un nuovo metodo che utilizza un modello fisico per prevedere le possibili interazioni tra individui a livello genetico.
I ricercatori hanno condotto due anni di prove su larga scala nel campus Irchel dell’UZH e in Giappone. Le sequenze del genoma erano già disponibili per i 199 genotipi della pianta Arabidopsis thaliana raccolti in tutto il mondo. I ricercatori hanno mescolato casualmente più di 30 individui da ciascuno dei 199 genotipi e hanno piantato un totale di 6.400 individui. Per contare 52.707 insetti su 6.400 piante, il ricercatore principale Yasuhiro Sato ha trascorso i mesi estivi nel giardino di ricerca dell’Irchel. Il suo immenso set di dati, raccolto grazie al giardino di ricerca dell’università nel campus di Irchel, è stato la chiave di questo studio", afferma il professor Shimizu dell’UZH.
Finora non esistevano metodi analitici per studiare le interazioni a livello di genoma - l’intera informazione genetica - tra individui vegetali vicini. Il team del dottor Sato ha quindi sviluppato un nuovo metodo informatico: uno studio di associazione a livello di genoma chiamato "Neighbor GWAS". Questo metodo si basa su un modello fisico utilizzato per analizzare le interazioni tra magneti. Il team lo ha utilizzato per analizzare come l’infestazione dei parassiti sia influenzata dalla combinazione di individui adiacenti con genotipi diversi. Allo stesso tempo, i ricercatori hanno preso in considerazione i risultati delle prove sul campo.
È stata condotta un’altra prova in campo su larga scala per due anni e sono stati piantati circa 2.000 individui di piante in coppia con i genotipi per i quali erano stati previsti tre livelli di resistenza associativa. I risultati della prova sul campo hanno dimostrato che, rispetto alla semina di un singolo genotipo, la miscela di due genotipi ha ridotto i danni causati dagli erbivori ai livelli più alti e al secondo livello di resistenza associativa rispettivamente del 24,8% e del 22,7%.
Questo studio è una pietra miliare nella ricerca sulle interazioni tra gli individui delle piante. Dimostra l’importanza della biodiversità: in primo luogo, la diversità genetica delle stesse piante coltivate può ridurre l’infestazione dei parassiti. In secondo luogo, la riduzione dei pesticidi in agricoltura contribuisce a preservare la biodiversità, compresi gli insetti", riassume Kentaro Shimizu.
I metastudi in cui è stato coinvolto Bernhard Schmid dimostrano che le rese di grano e riso, ad esempio, sono tra il 4 e il 16% più alte quando i genotipi sono mescolati in modo casuale. Secondo Shimizu, grazie alle informazioni sul genoma disponibili per queste colture, il nuovo metodo potrebbe ottimizzare la selezione delle miscele di genotipi prevedendo le resistenze associate e quindi aumentare ulteriormente la resa di queste specie vegetali importanti per l’agricoltura, riducendo al contempo l’uso di pesticidi.
Il progetto è stato sostenuto dal Programma prioritario di ricerca universitaria "Cambiamento globale e biodiversità" dell’UZH, dal Fondo nazionale svizzero per la ricerca scientifica (FNS) e dall’Agenzia giapponese per la scienza e la tecnologia in collaborazione con l’Università Ryukoku, l’Università Hokkaido, l’Università Keio e l’Università della città di Yokohama in Giappone.
