Presupposti e teoria
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Presupposti e teoria della biotecnologia vegetale.

Gli scienziati hanno compiuto esperimenti coltivando anche foglie molto piccole (embrionali) e le piccole masse di cellule in divisione presenti negli apici vegetativi. Tali zone di divisione cellulare vengono dette meristemi e tale tecnica è definita coltura di meristemi.

Partendo da un piccolo apice del germoglio formato da un meristema (una massa di cellule in divisione) con poche foglie embrionali, è possibile far crescere in coltura una nuova pianta intera. Se vengono aggiunti alle giuste concentrazioni nel mezzo di coltura e in quantità minimali due ormoni, l’auxina e la citochina, non un singolo germoglio, ma germogli multipli risultano dalla coltura di un singolo apice vegetativo. Questo metodo di manipolazione vegetale è definito propagazione clonale e tutte le piante formano un clone, un gruppo cioè di individui geneticamente identici.

L’ottenimento di piante indenni da malattie è un altro grande vantaggio dell’approccio tramite colture sterili di tessuti. Prima di essere trasferiti in un mezzo per coltura di tessuti i meristemi vengono accuratamente sterilizzati per uccidere qualsiasi batterio o fungo presente sulla superficie esterna del tessuto. Il vero vantaggio della coltura di meristemi è che produce materiale di impianto esente da virus. I virus vivono all’interno delle cellule vegetali e vengono trasmessi da una generazione all’altra.

I propaguli sono delle strutture unitarie che le piante utilizzano per riprodursi sia sessualmente che vegetativamente. Per alcuni scopi agricoli sarebbe vantaggioso se la facilità di utilizzo dei semi potesse essere unita ai benefici della propagazione vegetale clonale utilizzando l’embriogenesi somatica in vitro. Gli embrioni somatici dovrebbero essere impacchettati individualmente in qualche modo, così da venir maneggiati, trasportati, accumulati, dispersi nel campo e quindi fatti crescere come piante.

La tecnologia scelta recentemente è quella di incapsulare ogni embrione in un gel protettivo idratato, l’incapsulamento deve fornire una protezione fisica e può contenere delle sostanze nutritive, dei regolatori di crescita, degli antibiotici e dei fungicidi, tutti in grado di portare alla formazione della pianticella in campo. Non si è ancora verificato un utilizzo diffuso di tali semi sintetici. Il metodo è stato utilizzato in centinaia di piccoli e grandi vivai e laboratori di tutto il mondo.

Un vantaggio ovvio che offre la micropropagazione è che campioni di èlite - specialmente nel caso di alberi - possono essere velocemente manipolati senza timore di cambiarne il corredo genetico. Il miglioramento delle colture arboree tramite approcci tradizionali di selezione genetica è molto lento e incerto, la micropropagazione ha considerevolmente ridotto i tempi necessari. I problemi tecnici che devono ancora essere risolti sono principalmente quelli inerenti alla formazione della pianticella in campo.

Negli anni 30 e 50 i ricercatori francesi e statunitensi scoprirono che anche i tessuti maturi potevano crescere in colture sterili. Quando piccole sezioni di foglie, fusti, o radici vengono recise, sterilizzate e messe in coltura esse formano dei calli, masse di cellule relativamente indifferenziate. Le cellule di tali calli si dividono, aumentando in volume e si dividono ancora, avendo cura di metterli in un mezzo che contenga non solo elementi minerali e saccarosio, ma anche uno o più ormoni vegetali come auxine e citochinine. I calli crescono normalmente su mezzo nutritivo che viene solidificato con Agar, che è un polisaccaride che si trova in natura e che viene estratto da alghe brune. Le colture di callo sono state messe a punto in numerose specie vegetali.

Le colture di batteri e funghi sono largamente usate dall’industria biotecnologica per produrre pannelli alimentari industriali (composti chimici utilizzati nella produzione), composti farmaceutica (penicillina) ed enzimi.

Numerose specie di piante, specialmente quelle tropicali, producono composti chimici inconsueti che hanno trovato impiego come droghe, cosmetici, composti aromatizzati o agrochimici. L’industria biotecnologica vegetale si prefigge di coltivare le cellule che producono tali composti in colture cellulari in sospensione, di aumentare la produzione dei composti chimici e infine di sostituire le colture in campo con quelle negli stabilimenti.

La rigenerazione di piante intere, partendo da singole cellule, è una nuova e importante fonte di variabilità genetica per il miglioramento vegetale.

Quando dei piccoli pezzi di tessuto vegetale vengono posti in una coltura sterile su un terreno solido le cellule proliferano e si forma un callo, se sono presenti auxine e citochinine nelle quantità adeguate si formano dei germogli. I germogli di solito spuntano da piccoli gruppi di cellule in divisione rapida all’interno del callo.

La formazione di un organismo intero dipende dalla corretta espressione di almeno 30000 geni. La capacità di una singola cellula vegetale di riprodurre un organismo intero è definita totipotenza. E’ molto più facile digerire le pareti cellulari di un piccolo frammento di tessuto vegetale con degli enzimi e quindi isolare i protoplasti. I protoplasti sono molto fragili, ma anche loro esistono due strade per rigenerare una pianta completa.Quando i piccoli ammassi vengono trasferiti in un terreno solido essi crescono formando un callo che produce germogli. I piccoli ammassi si possono sviluppare in embrioni.

Staccando gli embrioni dalla superficie del callo si può fare in modo di farli sviluppare in una pianta completa. Quando gli embrioni somatici derivanti da singole cellule si sviluppano in piante mature le caratteristiche di queste ultime possono variare, questo fenomeno è definito variazione somaclonale.

Come le cellule vegetali si dividono per dare origine ad una pianta intera si verificano un riordinamento del materiale genetico e delle mutazioni. Tutte le cellule non posseggono esattamente lo stesso corredo genetico, il materiale genetico viene spesso riordinato quando le cellule vengono mantenute in coltura di tessuti e durante la rigenerazione di embrioni somatici avvenuto il trasferimento tutte le cellule che non hanno derivanti da queste cellule. Le piante rigenerate da colture di tessuti che possedevano proprietà utili vennero ulteriormente propagate vegetativamente o utilizzate per esperimenti di miglioramento genetico vegetale. L’ingegneria genetica comprende il trasferimento di geni fra organismi non affini.

Una volta ricevuto il nuovo gene devono essere eliminate con un antibiotico e la nuova pianta deve essere rigenerata da quella cellula che è stata trasformata tramite l’inserzione del nuovo gene. Il trasferimento di geni estranei nelle piante è reso possibile da un batterio promiscuo.

Il trasferimento di DNA fra specie diverse può essere definito "promiscuo", poiché normalmente il DNA viene trasferito solo fra individui della stessa specie, questo trasferimento di DNA fra organismi totalmente non imparentati non è un processo artificiale, ma naturale.

Il trasferimento di geni da un organismo all’altro è lo scopo principale dell’ingegneria genetica e l’ingegneria genetica vegetale è un campo importante della biotecnologia vegetale. Le piante coltivate migliorate con uno o più geni estranei rappresentano uno degli scopi principali dell’ingegneria genetica vegetale.

Uno dei problemi è che numerosi geni utili non sono ancora stati precisamente identificati.

I patogeni possono essere spesso combattuti utilizzando i loro stessi geni; sono stati identificati degli specifici geni virali che, quando introdotti nella pianta, impediscono al virus di moltiplicarsi o che limitano la sua diffusione da una cellula all’altra.

Esistono numerosi metodi per trasferire geni nelle cellule, ma per numerose specie è difficile rigenerare piante da cellule trasformate. L’agricoltura molecolare è il secondo obiettivo principale dell’ingegneria genetica vegetale.

In alcuni casi la capacità di fabbricare un prodotto desiderato dall’industria può essere semplicemente trasferita da una pianta ad un’altra che possiede delle migliori proprietà agronomiche o che può crescere in un posto diverso. In altri casi l’introduzione di uno o due nuovi geni permetterà alla pianta di sintetizzare uno o due ulteriori enzimi che possono convertire un composto intermedio comune del metabolismo in un prodotto desiderabile che la pianta normalmente non sintetizza.

La biotecnologia vegetale renderà molto più semplice la produzione di semi di ibridi. La scoperta del vigore degli ibridi è avvenuta più di ottanta anni fa, per opera dell’allevatore vegetale statunitense George Shull. Shull scoprì che incrociando linee congenite di mais si aveva la produzione di piante che mostravano il vigore dell’ibrido, cioè esse rendevano più mais delle linee migliori che gli agricoltori avevano fino a quel tempo utilizzato. Per la maggior parte delle piante risulta laborioso e dispendioso produrre semi di ibridi, poiché le parti maschili e femminile sono sullo stesso fiore. Il creare piante che resistano agli insetti, ai funghi, ai batteri o ai nematodi eliminerebbe la necessità dell’impegno di sostanze chimiche repellenti per questi organismi e predatori indesiderati.

Una possibilità di tale genere è che l’abilità della fissazione simbiontica dell’azoto possa essere trasferita dai legumi ai cereali. Questo farebbe risparmiare veramente una grande quantità di energia, poiché la fabbricazione di fertilizzanti azotati è un processo che richiede molta energia. Il trasferimento di questa capacità azoto-fissatore simbiontica da una pianta leguminosa ad un cereale come il mais richiederebbe il trasferimento di un gran numero di geni ed è improbabile che questo possa essere fatto nel futuro prossimo.

Le piante transgeniche, come sono in grado di ridurre l’uso di prodotti chimici possono anche aumentarlo nelle tecniche agricole. La tolleranza all’erbicida è stata ottenuta trasferendo nella pianta un singolo gene batterico. Questo approccio al controllo delle infestanti potrebbe portare all’aumento dell’utilizzo dei composti chimici in agricoltura.

La diminuzione, solitamente espressa come la quantità di pesticidi utilizzati per anno, è anche dovuta al passaggio da pesticidi a bassa tossicità e usati in grandi quantitativi verso pesticidi più specifici utilizzati in minor quantità. La biotecnologia e il trasferimento genico possono essere usati per selezionare ceppi di avversari naturali o per produrre ceppi transgenici particolarmente efficaci nel controllo delle piaghe che affliggono le piante.

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