Il carciofo è una specie orticola tipica del Bacino Mediterraneo, presente in numerose varietà nella tradizione culinaria italiana e di altri paesi europei.
Sebbene gli obiettivi del suo miglioramento genetico si focalizzino alla maggiore resistenza a stress, negli ultimi anni la comunità scientifica ha concentrato i propri sforzi per migliorare le proprietà qualitative e nutrizionali di tale specie. Infatti, il suo elevato interesse agroalimentare e farmaceutico deriva dal ricco contenuto in fibra e ferro, ma soprattutto in composti polifenolici, i quali conferiscono al carciofo un'azione antiossidante che è tra le più alte nei vegetali.
Tuttavia, a seguito del taglio (fenomeno comune nelle procedure di lavorazione e trasformazione del prodotto) il carciofo subisce una reazione mediata dagli enzimi polifenolo ossidasi (Ppo), che causa l'ossidazione dei composti polifenolici con conseguente imbrunimento del tessuto interessato.
Reazione di ossidazione dei composti fenolici mediata dagli enzimi polifenolo ossidasi (A) ed effetto di imbrunimento enzimatico in carciofo 15 minuti a seguito di taglio (B)
(Fonte: Elena Mazzocchi)
Tale processo compromette, da un lato, le proprietà antiossidanti del carciofo e quindi il valore nutrizionale e la durata di conservazione e, dall'altro lato, le sue proprietà organolettiche, fondamentali per rispondere alle esigenze dei consumatori. In questo quadro, la riduzione dell'attività delle Ppo ha generato interesse nel mondo della ricerca spingendo i ricercatori a sviluppare strategie chimico/fisiche che, ad oggi, sono solo parzialmente risolutive. Diversamente, come sperimentato in altre specie di interesse agronomico, strategie basate sul miglioramento genetico potrebbero rappresentare il giusto approccio per la completa ed ecosostenibile risoluzione dell'imbrunimento enzimatico in carciofo.
Dal 2018 al 2021, il gruppo di Genetica Vegetale dell'Università di Torino in collaborazione con il Crea Genomica e Bioinformatica, con il progetto Biotech-Qualimec, è stato impegnato in attività di ricerca volte al miglioramento delle proprietà qualitative in carciofo attraverso tecniche di editing genetico basato sull'inattivazione dei geni Ppo.
Inizialmente, tramite analisi bioinformatiche, i membri della famiglia genica Ppo sono stati ricercati all'interno del genoma di carciofo e successivamente caratterizzati in base al loro profilo genomico, di variabilità allelica e trascrizionale.
I dati mostrano che in carciofo la famiglia genica Ppo comprende 11 geni, i quali differiscono per localizzazione genomica, profilo di sequenza genomico esonico-intronico e profilo dei domini proteici Ppo codificati. Le sequenze geniche Ppo risultano variabili tra quattro tipi varietali di carciofo agronomicamente importanti, a causa di mutazioni che in alcuni casi sono responsabili della produzione anche di proteine non funzionali.
Profilo genomico e amminoacidico in carciofo (C) e variabilità genetica delle Ppo in 4 tipi varietali agronomicamente importanti (D)
(Fonte: Elena Mazzocchi)
Filogeneticamente, le Ppo di carciofo sono in associazione con Ppo di altre Asteraceae, la cui funzione biologica è associata a stress quali luminoso e taglio. Funzionalità simili si ipotizzano anche dall'analisi delle sequenze di regolazione dei geni Ppo, che evidenzia una moltitudine di fattori di regolazione trascrizionale coinvolti in processi biologici legati a stress, senescenza ed imbrunimento.
Alla luce delle informazioni acquisite, la validazione sperimentalmente della trascrizione dei geni Ppo, effettuata attraverso analisi di espressione genica pre/post taglio, è stata necessaria per identificare le Ppo coinvolte nell'imbrunimento dei tessuti del capolino (cioè la parte edibile del carciofo) e quindi candidate all'editing genetico. I risultati confermano che la regolazione trascrizionale dei geni PPO è tessuto specifica e in alcuni casi, dopo il taglio, soggetta ad incremento. Quest'ultimo fenomeno si riscontra anche a seguito di ossidazione del callo, tessuto fondamentale per il processo di rigenerazione in vitro della pianta trasformata e quindi per l'applicazione di approcci biotecnologici nella specie.
Nel pre taglio è stata misurata l'attività trascrizionale delle Ppo in diversi tessuti del carciofo (A). Dopo 15 minuti dal taglio l'analisi di espressione ha sottolineato un incremento di specifiche Ppo coinvolte nell'imbrunimento del capolino (B)
(Fonte: Elena Mazzocchi)
A riguardo, il carciofo è recalcitrante alla rigenerazione in vitro. Quindi, per condurre i primi step verso l'applicazione dell'editing genetico nella specie, l'efficienza di trasformazione e organogenesi è stata valutata in esperimenti pilota. Nonostante le procedure siano ancora in fase sperimentale, i risultati suggeriscono che in carciofo la trasformazione e l'organogenesi in vitro sono influenzate da fattori quali il genotipo, il tessuto, il metodo di inoculo e il plasmide di trasformazione.
In conclusione, questo studio fornisce informazioni molecolari e funzionali riguardanti la famiglia genica delle Ppo in carciofo e, sulla base delle informazioni acquisite, propone protocolli di trasformazione e rigenerazione che sebbene ancora in fase di ottimizzazione rappresentano un primo step verso l'applicazione dell'editing genetico nella specie, con l'obiettivo di produrre genotipi élite resistenti all'imbrunimento enzimatico.
Elena Mazzocchi, categoria "Innovazione varietale e genomica"
(Fonte: Elena Mazzocchi)
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A cura di Elena Mazzocchi
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