Combattere i parassiti con la biodiversità invece degli insetticidi

Le piante interagiscono con gli individui che le circondano – proprio come gli esseri umani.

Se, ad esempio, le persone nell'ambiente circostante sono vulnerabili alle infezioni, aumenta il rischio di contagio. Se invece sono resistenti, il rischio diminuisce. Lo stesso vale per le piante: quando diversi tipi genetici della stessa specie vengono coltivati insieme, alcune combinazioni risultano più resistenti ai parassiti e alle malattie. Questo effetto positivo sulla biodiversità è noto come resistenza associativa.

Sicurezza alimentare e protezione della biodiversità

Una delle sfide delle società moderne è conciliare la sicurezza alimentare con la tutela dell'ambiente e della biodiversità. I parassiti e le malattie minacciano i raccolti, motivo per cui in agricoltura vengono impiegati prodotti fitosanitari chimici. I pesticidi possono tuttavia ridurre la diversità delle specie di insetti. «È qui che la resistenza associativa potrebbe offrire una soluzione come metodo di coltivazione per garantire la produzione alimentare preservando al contempo la biodiversità», afferma Kentaro Shimizu, direttore dell'Istituto di biologia evolutiva e scienze ambientali dell'Università di Zurigo (UZH).

Ma quali combinazioni di piante con diversi genotipi – le dotazioni genetiche individuali – dovrebbero essere piantate in colture miste per respingere parassiti e malattie? Se si vogliono selezionare, ad esempio, due genotipi su un totale di 199, esistono 19'701 possibili combinazioni. I ricercatori dell'UZH hanno ora sviluppato, con l'ausilio di un modello fisico, un nuovo metodo per poter prevedere le possibili interazioni tra individui a livello genetico.

Esteso lavoro sul campo nel Campus Irchel

I ricercatori hanno condotto esperimenti su larga scala per due anni nel Campus Irchel dell'UZH e in Giappone. Per i 199 genotipi della pianta Arabidopsis thaliana raccolti in tutto il mondo erano già disponibili le sequenze genomiche. I ricercatori hanno mescolato in modo casuale più di 30 individui di ciascuno dei 199 genotipi e hanno messo a dimora in totale 6'400 individui. «Per contare 52'707 insetti su 6'400 piante, il ricercatore responsabile Yasuhiro Sato ha trascorso i mesi estivi nel giardino di ricerca sull'Irchel. Il suo immenso set di dati, che ha potuto essere raccolto grazie al giardino di ricerca dell'Università nel Campus Irchel, è stata la chiave di questo studio», afferma il professor Shimizu dell'UZH.

Finora non esistevano metodi di analisi per esaminare le interazioni a livello del genoma – l'insieme dell'informazione ereditaria – tra individui vegetali vicini. Il team del Dr. Sato ha quindi sviluppato una nuova procedura informatica: uno studio di associazione a livello genomico denominato «Neighbor GWAS». Questo si basa su un modello della fisica utilizzato per analizzare le interazioni tra magneti. Con tale metodo il team ha analizzato in che modo l'infestazione da parassiti viene influenzata dalla combinazione di individui adiacenti con genotipi diversi. Parallelamente, i ricercatori hanno tenuto conto dei risultati degli esperimenti sul campo.

Riduzione dei parassiti fino al 25 percento

L'analisi ha mostrato che numerosi geni sono coinvolti nelle interazioni con gli individui circostanti. Grazie all'apprendimento automatico, i ricercatori botanici hanno potuto utilizzare il modello per prevedere i danni causati dai fitofagi e identificare combinazioni vantaggiose di coppie di genotipi dotate di una resistenza associata.

Nel corso di due anni è stato condotto un ulteriore esperimento sul campo su larga scala, in cui circa 2'000 individui vegetali sono stati piantati a coppie con quei genotipi per i quali erano stati previsti tre livelli di resistenza associativa. I risultati dell'esperimento sul campo hanno mostrato che – rispetto alla coltivazione di un singolo genotipo – la miscela di due genotipi ha ridotto i danni causati dagli erbivori del 24,8 percento rispettivamente del 22,7 percento al livello più alto e al secondo livello più alto di resistenza associativa.

Sviluppi futuri

«Questo studio rappresenta una pietra miliare nella ricerca sulle interazioni tra individui vegetali. Mostra quanto sia importante la biodiversità: in primo luogo, la diversità genetica delle colture può ridurre di per sé l'infestazione da parassiti. In secondo luogo, un minor utilizzo di pesticidi in agricoltura contribuisce a preservare la diversità biologica, inclusi gli insetti», riassume Kentaro Shimizu.

Metastudi a cui ha partecipato Bernhard Schmid mostrano che, ad esempio nel frumento e nel riso, si ottengono rendimenti superiori tra il 4 e il 16 percento quando i genotipi vengono mescolati casualmente. Secondo Shimizu, il nuovo metodo potrebbe – grazie alle informazioni genomiche disponibili per queste colture – ottimizzare la selezione delle miscele di genotipi attraverso la previsione delle resistenze associate, aumentando ulteriormente i rendimenti di queste importanti specie agricole, riducendo al contempo l'impiego di pesticidi.