Selezione varietale, tutti i vantaggi della tecnologia

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Con la fenotipizzazione avanzata è possibile un potenziamento quantitativo e qualitativo delle piante d’interesse agrario. E proprio questo sarà l'argomento di uno dei laboratori che si svolgerà durante Nova Agricoltura in Campo il 20 luglio a Foggia

Negli ultimi anni gli obiettivi del miglioramento genetico del grano duro sono diventati più numerosi e complessi perché fortemente legati ai cambiamenti climatici in atto e alle mutate esigenze dei consumatori. Questo si ripercuote sul lavoro di selezione, per cui agli obiettivi tradizionali della selezione varietale, resa e contenuto proteico, si sommano anche gli aspetti legati alla sostenibilità delle produzioni (resistenza ai patogeni ed efficienza d’uso dell’acqua e dell’azoto) e alle caratteristiche nutrizionali e salutistiche della granella (composizione in fibra, amido, micronutrienti, assenza di micotossine e di metalli pesanti).

I dettagli che fanno la differenza

Purtroppo, la dipendenza dei caratteri quanti-qualitativi del grano duro alle tecniche di coltivazione e all’andamento climatico, quest’ultimo imprevedibile e in continuo cambiamento, rende complesso il processo di selezione delle nuove varietà. È necessario sottolineare che la varietà esprime al meglio il suo potenziale produttivo e qualitativo solo se coltivata in un contesto agronomico adeguato. Le sementi rappresentano uno dei principali input di produzione delle aziende cerealicole, costituendone allo stesso tempo una garanzia di qualità e tracciabilità del prodotto finale, e quelle di grano duro costituiscono la componente più importante della produzione sementiera cerealicola certificata italiana. Per le aziende sementiere, quindi, la possibilità di rimanere sul mercato e/o di ampliare le quote di mercato è strettamente legata alla capacità industriale di produrre nuove varietà con caratteristiche superiori rispetto a quelle della concorrenza internazionale e all’impiego di sementi certificate da parte delle aziende agricole.
Da questo punto di vista è necessario investire in ricerca e sviluppo per ampliare la comprensione delle basi genetiche dei caratteri di interesse agronomico e implementare nel processo di selezione varietale le nuove tecnologie -omiche basate sull’utilizzo di piattaforme ad alto rendimento per la fenotipizzazione e la genotipizzazione delle specie vegetali.

A Foggia in volo i droni per la fenotipizzazione

Uno dei laboratori che si svolgerà il 20 luglio durante Nova Agricoltura in Campo, l'evento organizzato da Edagricole e Crea con il patrocinio della Regione Puglia e della Città di Foggia riguarderà proprio la fenotipizzazione con l'utilizzo dei droni. Dopo il successo del 2017, anche quest’anno la giornata dimostrativa e formativa si svolgerà nei terreni del Crea Cerealicoltura e Colture Industriali di Foggia, con un programma ricco di contenuti tecnici e tante novità, oltre alla presenza del sottosegretario al Mipaaf Alessandra Pesce e del presidente di Coldiretti Roberto Moncalvo. Venerdì 20 luglio a partire dalle 9:30 si potranno vedere in azione trattori, erpici a dischi, decompattatori, seminatrici da sodo, irroratrici, coltivatori, spandiconcime, pneumatici, cingoli, dispositivi per l'agricoltura di precisione, macchine per l'orticoltura, droni e sistemi per la difesa delle colture.

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L'importanza dell'analisi visiva

La fenotipizzazione, ossia l’analisi visiva delle caratteristiche morfologiche e funzionali di una pianta, è parte fondamentale del processo di miglioramento quanti-qualitativo delle piante d’interesse agrario. Essa è collegata alla genomica con l’analisi del fenotipo ovvero con la prestazione delle piante durante l’interazione con gli stimoli ambientali. Dall’analisi del fenotipo deriva una migliore comprensione del sistema pianta/ambiente, con la possibilità di impostare programmi innovativi di selezione di nuove varietà. Le tecniche di sequenziamento del Dna di nuova generazione hanno rivoluzionato le modalità e i tempi della selezione nelle specie agrarie, facilitando l’indagine genetica dei caratteri, l’identificazione dei geni/alleli responsabili dell’espressione fenotipica e il loro conseguente trasferimento nelle nuove varietà attraverso la selezione assistita con l’uso dei marcatori molecolari e l’applicazione di protocolli di selezione genomica.

Le prospettive offerte dalle nuove tecnologie

In questo nuovo contesto, la fenotipizzazione emerge come principale fattore limitante nel processo di comprensione delle basi genetice, fisiologiche e biochimiche dei caratteri agronomici, oltre che per l’alto costo richiesto e l’ampio margine di errore, anche per la forte azione esercitata dall’ambiente di coltivazione sull’espressione dei caratteri da analizzare. È questa la ragione per cui negli ultimi anni c’è stato un crescente interesse da parte del mondo tecnico-scientifico per lo sviluppo di piattaforme di fenotipizzazione ad alta processività (high-throughput), ossia di impianti completamente automatizzati in serre o camere di crescita, dotate di controllo ambientale preciso e tecniche di telerilevamento per valutare la crescita e le prestazioni delle piante. Ciò è stato reso possibile grazie agli avanzamenti registrati nei settori dell’ingegneria e dell’informatica, nonché alla maggiore disponibilità di hardware per immagazzinare dati a costi relativamente contenuti. In particolare, la disponibilità di nuovi sensori basati su diversi sistemi di acquisizione delle immagini (visibile, termico e spettrale a diversa lunghezza d’onda), nonché lo sviluppo della robotica e dei veicoli aerei senza pilota o droni, insieme allo sviluppo di software di elaborazione dedicati, facilita l’acquisizione di dati per i caratteri di interesse su larga scala, in modo preciso, accurato, rapido e a basso costo.
Generalmente, queste piattaforme robotizzate ed informatizzate, acquisiscono e analizzano le immagini nel visibile (Rgb) per effettuare le analisi sulla morfologia, architettura, colore, salute e stadio fenologico della coltura; nell’infrarosso (Nir) per la misurazione della temperatura e del contenuto di acqua dei tessuti vegetali; e ultravioletto (Uv) per monitorare lo stato fisiologico dell’apparato fotosintetico delle piante.
I risultati delle ricerche condotte fino a oggi hanno dimostrato che per i principali caratteri di interesse agronomico, quali la resa e la resistenza alla siccità, esiste una bassa correlazione quando si passa da un ambiente controllato (serra e/o camere di crescita) al pieno campo. Per cui l’analisi fenotipica su larga scala e condotta nelle condizioni reali di pieno campo, resta un punto debole per i futuri avanzamenti nel settore della genetica e del miglioramento genetico delle colture agrarie, in quanto le condizioni di campo sono notoriamente eterogenee e il controllo dei fattori ambientali rende i risultati difficili da interpretare.

L’ausilio dei droni

Una delle soluzioni “pronte all’uso” e a basso costo è quella di impiegare veicoli aerei senza pilota, conosciuti comunemente come il nome di droni. Rispetto ad altri metodi di telerilevamento (i.e. satellite), i droni generano dati più precisi e più frequenti sulla condizione delle colture. Partendo da queste considerazioni, il Crea-CI di Foggia, in collaborazione con il Crea-IT di Treviglio (Bg) e la ditta Analist Group Srl di Avellino, ha realizzato una piattaforma aerea mobile in grado di eseguire misure fenotipiche non distruttive, accurate e riproducibili, per una serie di caratteri agronomici (Tab. 1). L’attuale composizione della flotta di droni che opera per la fenotipizzazione in pieno campo è composta da: i) Drone Matrice 100, equipaggiato con camera termica DJI Zenmuse XT; ii) Drone Parrot Disco Pro Ag con camera multispettrale Sequoia dotato di un sistema di autocalibrazione delle condizioni di luce; iii) Quadricottero Phantom 4 Pro equipaggiato con una telecamera stabilizzata da 20 megapixel per registrare immagini ad elevata qualità.

Le rilevazioni su 500 varietà di grano

Il sistema si pone a integrazione delle strumentazioni usate per la gestione delle prove parcellari all’interno dell’azienda sperimentale del Crea di Foggia e di una griglia di sensori di prossimità per il monitoraggio in tempo reale di tutte le informazioni ambientali (pianta/suolo/aria). Per la messa a punto della piattaforma è stato allestito un dispositivo sperimentale di circa 500 varietà di grano duro di varia origine e provenienza, disposte in parcelle sperimentali replicate e allevate in differenti condizioni agronomiche per apporto idrico e di fertilizzanti. Durante la stagione di crescita sono stati condotti rilievi con cadenza settimanale per il monitoraggio dei principali caratteri morfo-fenologici e di adattamento. In particolare, attraverso l’uso della telecamere Rgb, del sensore multispettrale e della camera termica sono stati acquisiti numerosi indici di vegetazione per valutare i materiali genetici sulla base delle seguenti caratteristiche: i) grado di copertura del terreno, ii) temperatura della superficie fogliare “canopy”, iii) altezza piante e accumulo biomassa, iv) efficienza dell’uso dell’azoto e/o dell’acqua e, v) resistenza alle principali fisiopatie del grano duro.

Tab.1 Caratteri di interesse agronomico, metodologie di fenotipizzazione tradizionali e ad alta efficienza e possibilità di applicazione dei protocolli di selezione assistita con marcatori molecolari (Mas) e selezione genomica (Gs).

Carattere Fenotipizzazione Tradizionale Utilizzo di marcatori molecolari Fenotipizzazione

High Throughput

Grado di copertura del suolo Visiva n.d. RGB, Immagini multispettrali
Architettura della parte aerea Visiva n.d. RGB, immagini 3D
Altezza delle piante Visiva MAS Sensori laser
Resistenza a malattie fogliari Visiva MAS RGB, Immagini multispettrali, Camera termica
Data di spigatura/fioritura Visiva MAS RGB
Biomassa della parte aerea Bilancia GS* VI, NDVI
Architettura e biomassa radicale n.d. MAS* Rizotroni (RGB)
Resa in granella Bilancia GS* VI, NDVI
Tenore in azoto e/o clorofilla fogliare Strumento portatile (es. SPAD) n.d. VI, NDVI
Contenuto proteico della granella Post-raccolta, analitico MAS*, GS* NIR
Conduttanza stomatica Porometro MAS* Camera termica
Temperatura delle foglie “canopy” Strumento portatile (es. Termometro a infrarossi) n.d. Camera termica
NDVI = Normalized Difference Vegetation Index.

VI = Indici di vegetazione diversi dall’NDVI.

n.d. = non disponibile

* difficoltà di utilizzo per tempi, costi e limitato valore predittivo.

I risultati ottenuti

Di seguito riportiamo i risultati dello studio condotto per identificare i materiali genetici in grado di assicurare una maggiore e più rapida copertura del suolo nella fase di accestimento della coltura (Fig. 1). Per questo carattere è importante selezionare nelle prime fasi di insediamento della coltura, poiché una buona copertura del suolo da parte della coltura assicura una vantaggio competitivo nei confronti delle infestanti, oltre ad assicurare una minore perdita di acqua per evaporazione dal suolo durante i periodi siccitosi. Per tale carattere l’uso di della fotocamere Rgb e del sensore multispettrale, unitamente a opportuni algoritmi per l’elaborazione delle immagini, ha permesso di separare la quantità di immagine appartenente alla “coltura” (i.e. grano duro) da tutto ciò che “non era coltura”, cioè suolo, ombra, altro, ottenendo così indici numerici di copertura del terreno utilizzabili per la selezione.
Successivamente, grazie all’analisi automatizzata delle immagini e alla costruzione di una griglia georeferenziata del campo sperimentale, le immagini di ogni singola parcella (circa 2.000 parcelle totali) sono state processate e convertite in percentuale di copertura in poche ore di lavoro. Nella forma attuale, la piattaforma raggiunge il rendimento di qualche migliaia di parcelle all’ora, lavora in modo affidabile in differenti condizioni ambientali e può essere facilmente ridimensionata e/o estesa in funzione degli esperimenti sul campo e delle esigenze dei programmi di miglioramento genetico.

 

Sviluppo e fruibilità del sistema

Nei prossimi anni lo sviluppo di sistemi validati e standardizzati di raccolta e analisi delle immagini, oltre alla disponibilità offerta dal cloud computing, permetterà a un numero maggiore di operatori di accedere a questi strumenti e di aumentare l’efficienza dei programmi di miglioramento genetico. La maggiore utilità di tali sistemi, infine, non risiede solo nell’accelerazione della fenotipizzazione, ma anche e soprattutto nella possibilità di aggiungere parametri di selezione oggi non misurabili, quali, ad esempio, quelli radicali.

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