UNIVERSITA' DEGLI STUDI DI CATANIA - dispa

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI di CATANIA
Corso di Laurea in Biotecnologie Agrarie
BARBABIETOLA DA ZUCCHERO
E
CANNA DA ZUCCHERO
Prof. re: Luciano Cosentino Studente:Antonella Pesce
Anno Accademico 2012/2013

BARBABIETOLA DA ZUCCHERO
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1.0 Origine e diffusione
L’attuale barbabietola da zucchero avrebbe due centri di origine, uno nel bacino del
Mediterraneo ed Isole Canarie o del Capo Verde e l’altro in Asia sud-occidentale.
Nell’antichità la barbabietola veniva coltivata solo come pianta da orto per utilizzarne
le foglie, in seguito per utilizzarne foglie e radici per l’alimentazione zootecnica.
La sua importanza saccarifera risale all’inizio del XVIII secolo, quando il chimico
tedesco Marggraf scoprì che lo zucchero estratto dalla bietola era simile a quello di canna
importato dalle regioni tropicali e subtropicali e perciò costoso e disponibile solo per pochi
privilegiati. Qualche decennio dopo, Achard, allievo e successore di Marggraf, cominciò a
sperimentare diversi tipi di bietola, iniziò le prime coltivazioni e mise a punto i procedimenti
di estrazione dello zucchero.
In Italia i primi passi della coltura si ebbero nel 1870-71 con l’apertura dei primi
zuccherifici a Rieti e Anagni, accompagnati dai primi insuccessi. Questi insuccessi erano
dovuti al fatto di voler coltivare la barbabietola con gli stessi metodi seguiti al Nord: semina
in aprile e raccolta con inizio in autunno. La soluzione al problema per l’Italia si ebbe con
Maraini che suggerì di anticipare la semina in marzo e iniziare la raccolta nella prima metà di
agosto e di concluderla entro settembre evitando gli inconvenienti di rivegetazione e sosta sui
campi.
In duecento anni sia la fase agricola, che quella industriale del settore bieticolo-
saccarifero hanno subito profondi cambiamenti tanto che oggi la bietola provvede a circa il
45% della produzione mondiale di zucchero.
Tuttavia in Italia, negli ultimi anni, si assiste ad una diminuzione delle superfici
coltivate, scese a poco più di 60.000 ha nel 2010 rispetto ai 250.000 del 2000 (Eurostat,
2010). Per quanto riguarda il quadro generale della produzione europea, Francia e Germania
sono le nazioni che fanno registrare la produzione più alta, con una produzione di 35.493
milioni di tonnellate e 25.028 milioni di tonnellate rispettivamente, che rappresentano il
53,1% della produzione totale in tutta l’Europa a 27 stati (Eurostat, 2010).
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2.0 Aspetti agronomici
La barbabietola è una pianta biennale, che nel primo anno rimane in fase vegetativa,
sviluppa un ampio apparato fogliare e una radice fittonante dove si accumula il saccarosio; nel
secondo anno, dopo un periodo di vernalizzazione, emette uno scapo fiorale, ramificato, con
foglie piccole, sul quale si formeranno le infruttescenze chiamate glomeruli.
Nelle colture industriali, l’uomo interrompe il ciclo della pianta estirpando la radice
già nel primo anno, per estrarne lo zucchero accumulato, mentre le colture destinate alla
produzione di seme completano il ciclo biennale. La distribuzione della coltura in un’area
geografica così vasta e in condizioni ambientali tanto differenti, da zone caldo aride ad oltre
2000 metri di altitudine, indica la capacità della barbabietola, di adattarsi a diverse condizioni
ecologiche. Tuttavia la bietola trova le condizioni più adatte nei climi temperati.
2.1 Esigenze termiche
Nelle condizioni ottimali, il seme assorbe acqua attraverso l’involucro esterno, che
gliela cede lentamente, si rigonfia ed emette la radichetta che rompe l’involucro. Appena la
radichetta è uscita e si sta ancorando al suolo, il fusticino si allunga spingendo il glomerulo
lateralmente o in alto fino a liberare i cotiledoni che iniziano ad emergere. Tra la
germinazione e l’emergenza, nelle condizioni migliori, intercorrono circa due giorni. La
germinazione può iniziare a 5-6°C ma le condizioni ottimali si hanno con temperature intorno
ai 20-25°C e umidità del terreno di circa il 50% della capacità idrica di campo. Se la
temperatura è inferiore a 3°C la germinazione non avviene.
Durante tutto il primo anno di vita si compie la fase vegetativa della pianta, nella quale
si ha l’accumulo dei fotosintetati nell’organo di riserva. Le temperature maggiormente
favorevoli per l’accumulo di zucchero sono comprese tra i 10 e i 20°C; con valori superiori a
25°C il ritmo di assimilazione decresce, fino a cessare coi 35°C.
2.2 Fotoperiodo
La barbabietola è una pianta lungi diurna, il fotoperiodo è importante oltre che per il
meccanismo di fioritura anche per l’accumulo di zucchero infatti, in tal senso hanno molta più
rilevanza le ore di luce ricevute quotidianamente, piuttosto che l’intensità luminosa. Nei paesi
nordici, dove le giornate estive sono lunghe, si ritiene che sia proprio la durata del fotoperiodo
a supplire alla deficienza termica. In clima mediterraneo invece, l’intensità luminosa
eccessiva (al di sopra dei 14.000 lux) può essere controproducente, soprattutto se
accompagnata da temperature troppo elevate ed insufficiente disponibilità idrica, per
l’insorgere di fenomeni accentuati di foto traspirazione.
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2.3 Esigenze idriche
Le produzioni di sostanza secca e di saccarosio dipendono molto dalla quantità di
acqua traspirata. La bietola traspira più del 98% dell’acqua assorbita, utilizzandone per la
crescita solo circa il 2%. La bietola può usufruire dell’umidità del terreno fino a circa 1,5 m di
profondità, ma di solito quasi tutta la totalità dell’acqua viene assorbita dai 70-100 cm più
superficiali. In generale l’irrigazione incrementa quasi sempre la produzione di radici ma
spesso riduce il contenuto di zucchero e di melassi geni. L’entità degli effetti è però variabile.
A titolo di esempio può essere il fatto che irrigazioni tardive favoriscono un’intensa attività
vegetativa con incremento del peso del fittone e abbassamento del tenore zuccherino; b)
l’irrigazione esalta gli effetti della concimazione azotata favorendo aumenti del peso radicale,
riduzione del contenuto zuccherino e limitando l’accumulo di azoto nocivo; c) nei terreni con
rizomania l’irrigazione può favorire la diffusione della malattia; d) l’efficacia dell’irrigazione
è di solito maggiore ritardando gli estirpamenti e variabile a seconda della tipologia
produttiva delle cultivar.
In generale, la quantità di acqua da apportare (volume di intervento e stagionale)
dovrebbe essere calcolata sulla base di parametri oggettivi come ET, umidità del terreno, stato
della coltura.
2.4 Tecniche colturali
La barbabietola, è sicuramente la coltura più esigente ed in generale richiede
lavorazioni più profonde rispetto alle altre colture. La necessità di lavorazioni profonde nasce
dal fatto che la radice della barbabietola raggiunge a volte i 30-40 cm di profondità, ma ha
scarsa capacità di penetrazione e quindi richiede ottima sofficità anche in profondità e soffre
nei terreni costipati e zollosi nei quali il fittone si incurva o si ramifica. In Italia, è anche da
considerare che la bieticoltura viene effettuata prevalentemente su terreni argillosi che, a
parità di tutte le altre condizioni, richiedono una maggiore profondità di aratura per favorire
l’aereazione e la circolazione dell’acqua in profondità. Riguardo all’epoca di aratura, quella
migliore nei terreni argillosi è l’estate fino a settembre, in modo da permettere al terreno di
trarre maggiore beneficio dall’azione degli agenti atmosferici. Le terre sabbiose e povere di
materiali argillosi, invece, possono essere lavorate più tardi.
Se l’azione degli agenti atmosferici sui terreni arati è stata efficace nello sminuzzare e
rendere friabili le zolle, allora le lavorazioni complementari possono essere limitate ad una
energica erpicatura.
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3.5 Concimazioni
I tre principali elementi di fertilità (azoto, fosforo e potassio) esplicano effetti diversi
nelle differenti fasi del ciclo sui valori quantitativi e qualitativi della produzione. L’azoto è
l’elemento nutritivo in grado più di tutti di influenzare la produzione; agisce favorendo li
sviluppo dell’apparato aereo. L’efficacia dell’azoto è contrastata da due possibili conseguenze
negative ad esso connesse: a) eccessivo sviluppo fogliare; b) la non trasformazione in
sostanza proteiche. In generale la barbabietola risponde bene alla concimazione azotata con
incrementi della produzione in radici, ma la dose e la tecnica ottimale è molto diversa a
seconda delle situazioni pedoclimatiche e colturali.
3.0 Applicazioni biotecnologiche
Il miglioramento genetico della barbabietola da zucchero, ha riguardato per lungo
tempo, l’aumento delle dimensioni della radice e l’aumento del contenuto in saccarosio. In
seguito sono stati presi in considerazione anche altri aspetti come la resistenza agli erbicidi, la
resistenza alle avversità, l’adattabilità alle semine autunnali e la monogermia.
3.1 Resistenza agli erbicidi: barbabietola Roundup ready
La barbabietola da zucchero soffre molto la competizione delle erbe infestanti come
Papaver rhoeas, Veronica persica e Sinapis arvensis; in passato venivano eseguite delle
sarchiature per il controllo meccanico delle infestanti, oggi è molto diffuso il diserbo chimico
per mezzo di erbicidi selettivi in pre-semina, pre-emergenza e post-emergenza. Una
sarchiatura tuttavia, è sempre considerata utile per eliminare le infestanti, ma maggiormente
per favorire la penetrazione dell’acqua nel terreno, diminuire l’evaporazione ed arieggiare il
terreno.
Un gruppo di ricercatori tedeschi della compagnia KW Saat AG hanno ideato, su idea
della multinazionale Monsantoto, delle piante transgeniche di barbabietola per la resistenza
agli erbicidi a base di glyphosate (H-7). Le colture aventi questa resistenza vengono dette
Roundup ready (RR), prendendo il nome dall’erbicida Roundup brevettato dalla Monsanto.
Il glyposate è un erbicida sistemico ad ampio spettro, che agisce inibendo l’enzima
EPSP coinvolto nella biosintesi degli aminoacidi aromatici triptofano, fenilalanina e tirosina.
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La resistenza al glyphosate è stata ottenuta inserendo nel genoma vegetale, il gene
dell’enzima EPSPS, isolato da Agrobacterium tumefaciens ceppo C4, che ha la caratteristica
di essere poco inibito dal glyphosate stesso.
La trasformazione delle piante è stata attuata con trasferimento mediato da A. tumefaciens.
Il batterio A. tumefaciens possiede un plasmide denominato Tumor inducing, dove si
distingue una regione (T-DNA) nella quale sono presenti i geni per la sintesi di auxine,
citochinine e opine. La porzione del T-DNA è quella che durante l’infezione, viene escissa dal
plasmide e va ad insediarsi nel genoma vegetale.
Prima della trasformazione, il plasmide Ti è stato disarmato, cioè sono stati tolti i geni
responsabili della formazione del tumore (auxine e citochinine) i geni della sintesi e del
catabolismo delle opine. Non vengo tolti invece le regioni LB e RB che rappresentano le
estremità del T-DNA le quali, assieme ai geni di virulenza, sono fondamentali per il
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trasferimento del DNA nel genoma vegetale. Nel plasmide disarmato è stato inserito il gene
EPSPS, i marcatori che hanno permesso l’individuazione delle cellule trasformate e delle
piantine trasformate. Il plasmide così costruito è stato inserito in A. tumefaciens. Una
sospensione dei batteri trasformati è stata messa a contatto con frammenti di foglia per
avviare la trasformazione. Da questi pezzetti di foglia sono state ottenute delle piante che
portano il gene EPSPS.
La coltivazione di piante geneticamente modificate per il gene della resistenza al glyphosate è
autorizzata negli USA dal 2005 ma è stata realmente attivata nel 2008.
Il più grande vantaggio delle colture RR consiste essenzialmente in un controllo semplificato
delle erbe infestanti, riducendo l’uso di erbicidi chimici in pre-emergenza, in favore di quelli
in post-emergenza come il glyohosate che è considerato meno pericoloso rispetto agli altri.
3.2 Adattabilità alle semine autunnali
Poter regolare il tempo di fioritura è fondamentale per massimizzare la capacità
produttiva della pianta.
I ricercatori dell’Umea Plant Science Center e della società Sygenta seed, studiando il
gene che normalmente nelle altre piante stimola la fioritura, hanno scoperto che nella sua
evoluzione, la barbabietola ha sviluppato un gene fratello con funzione opposta, ossia quella
di inibire la fioritura e che in natura viene silenziato solo in seguito alle basse temperature
invernali. Si tratta di due geni FT-like denominati BvFT1 e BvFT2 il cui meccanismo
d’espressione è stato studiato mediante la costituzione di diverse linee transgeniche.
Inizialmente sono state costituite due linnee transgeniche per la sovra espressione di
BvFT1 e BvFT2 mediante due cassette d’espressione portanti le sequenze codificanti una per
BvFT1 e l’altra per BvFT2 ed i promotori costitutivi Ubi3 (S15 da Arabidopsis) e CaMV 35S.
Questa cassetta di espressione è stata successivamente inserita in un vettore binario che porta
la PMI (fosfo-mannosio isomerasi) come marcatore e ocs e mas che sono promotori sintetici
da octopine e mannopine. Costruito il vettore d’espressione sono state trasformate le piante di
barbabietola mediante A. tumefaciens.
Nelle piante BvFT2-ox è stata raggiunta la fioritura dopo un periodo di otto settimane,
e l’espressione di BvFT1 era agli stessi livelli dei Wt. Si è dimostrato quindi che la sovra
espressione di BvFT2 portava alla fioritura anche senza un periodo di vernalizzazione e che
BvFT2 non è un repressore di BvFT1.
Nelle piante BvFT1-ox annuali LD, non si aveva la comparsa di scapi fiorali per più di
sei mesi, inoltre l’espressione di BvFT2 era inferiore rispetto al Wt, suggerendo così che
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BvFT1 è un repressore di BvFT2. Nelle piante BvFT1-ox biennali, anche dopo il periodo di
vernalizzazione, si aveva un ritardo della fioritura di circa sei mesi rispetto al Wt.
Sono state effettuate altre prove su due linee transgeniche, in una di esse, mediante
RNA interference, era inibito il gene BvFT1 e nell’altra il gene BvFT2. Nelle piante in cui era
stato inibito il gene BvFT2 non si è avuta la comparsa di scapi fiorali per più di quattrocento
giorni, mentre i livelli di BvFT1 erano uguali a quelli dei Wt. Questi ultimi esperimenti hanno
dimostrato che la mancata fioritura era dovuta all’assenza di BvFT2 e non alla presenza di
BvFT1.
Manipolando il gene della fioritura, è possibile dunque controllare pienamente il
tempo di fioritura consentendo di sviluppare un tipo di barbabietola che possa essere piantata
in autunno e che continui a crescere nelle stagione seguente senza che fiorisca (Kraft, 2010).
Una barbabietola invernale rappresenta un’importante opportunità per i coltivatori, dato che si
stima che sia in grado di aumentare la resa del 25% consentendo allo stesso tempo un periodo
più esteso di raccolta, cosa che non si è ancora riuscita ad ottenere con gli incroci tradizionali.
3.3 Resistenza allo stress idrico
La siccità rappresenta il più grande fattore limitante per la produzione di tante colture,
compresa la barbabietola. Un gruppo di ricercatori dell’Università della California ha studiato
un metodo per migliorare la resistenza alla siccità, mediante la costituzione di linee
transgeniche di barbabietola per la produzione di fruttani batterici. I fruttani sono dei polimeri
del fruttosio che assumono un duplice interesse visti gli aspetti nutrizionali e le funzioni eco-
fisiologiche svolte. Le prime prove che dimostravano che i fruttani hanno un ruolo importante
nella resistenza alla siccità erano state condotte su tabacco.
In barbabietola si è inserito esattamente lo stesso costrutto genetico che era stato
inserito in tabacco costituito da:
trasformazione.
gene SacB dal Bacillus subtilis per la biosintesi dei fruttani
CPY yeast vacuolar targeting sequence
promotore costitutivo CaMV 35S
Il plasmide binario costruito è stato poi inserito in A.tumefaciens che ha mediato la
Sono state costituite 14 linee transgeniche che hanno mostrato un accumulo di
fruttani sia nelle radici che nelle foglie; in queste ultime l’accumulo di fruttani era dipendente
dall’età, cioè vi era una maggiore quantità di fruttani nelle foglie più vecchie rispetto alle
foglie più giovani. Le linee transgeniche ottenute sono state confrontate con i Wt riguardo alle
performance in condizioni di siccità.
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Il risultato maggiore che si è ottenuto in questo studio è che con l’introduzione del
gene per la biosintesi dei fruttani da Bacillus subtilis, si è avuta una maggiore resa in
biomassa sotto condizioni di siccità.
Inoltre i fruttani dovrebbero non influenzare la concentrazione di saccarosio in
quanto il livelli sono identici, se non maggiori a quelli del Wt.
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CANNA DA ZUCCHERO
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1.0 Origine e diffusione
La canna da zucchero è la più importante specie saccarifera coltivata al mondo.
La FAO stima che nel 2010 sono stati coltivati circa 23,8 milioni di ettari in oltre 90
paesi del mondo con un raccolto di 1.690 milioni di tonnellate. I paesi maggiori
produttori risultano essere il Brasile, India, Cina, Thailandia, Pakistan e Messico.
2.0 Aspetti agronomici
La canna da zucchero si adatta bene ad una vasta gamma di suoli. In linea
generale, i più adatti sono i suoli argillosi e limosi ben drenati. La canna si mostra
molto tollerante anche nei confronti della reazione del suolo, adattandosi bene sia a
quelli acidi (ph 4.5-5.0) che a quelli basici (ph 8.0-8.2).
giorno corto.
Per quanto riguarda il fotoperiodo, la canna fiorisce solo in condizioni di
La temperatura può assumere un ruolo fondamentale ai fini della buona riuscita
della coltura, quella ottimale per l’accrescimento della pianta e l’assorbimento dei
nutrienti oscilla intorno ai 27°C.
Le disponibilità idriche sono molto importanti in quanto condizionano i
processi fisiologici che controllano lo sviluppo della pianta e la quantità e la qualità
delle produzioni. Infatti, nelle zone con elevata umidità, la pianta tende a produrre una
elevatissima quantità di sostanza verde avente però un basso contenuto in saccarosio;
perché venga l’accumulo di zuccheri è necessario che l’attività vegetativa venga
rallentata.. Di contro in carenza di umidità, la pianta fornisce scarse produzioni.
sarebbero:
In definitiva, le caratteristiche climatiche ideali per la coltura della canna,
a) periodo caldo abbastanza lungo e sufficienti disponibilità idriche,
per favorire la crescita e lo sviluppo delle piante;
b) periodo asciutto e non molto caldo, ma con assenza di gelate,
durante la maturazione e la raccolta, per promuovere la conversione
in zuccheri riduttori in saccarosio e favorirne l’accumulo.
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3.0 Aspetti biotecnologici
Ciò che oggi, attraverso le biotecnologie, si cerca di ottenere nella canna da
zucchero sono: resistenza ai virus (es mosaic virus), tolleranza agli erbicidi e
resistenza ad alcuni lepidotteri (es. Pyarausta nubilalis).
In Brasile è stata costituita una linea transgenica per la tolleranza agli erbicidi a
base di glyphosate, mediante inserimento del gene EPSPS di A. tumefaciens ceppo 4, e
per la resistenza ai lepidotteri, mediante l’inserimento della proteina Cry 2 A di
Bacillus thuringiensis.
Le prove sono state condotte sulla varietà commerciale RB867515, che
rappresenta la varietà maggiormente coltivata nel Brasile del sud.
La trasformazione è stata mediata da A. tumefaciens nel quale è stato inserito il
plasmide binario pUC 8301 contenente i geni per la resistenza a glyohosate e
lepidotteri.
Dei genotipi creati sono stati valutati i livelli di espressione dei due geni in radici,
foglie e steli. Nelle diverse prove in campo e nelle analisi che sono state eseguite si è visto
che:
a) non sono stati riscontrati effetti di pleiotropia o epistasi;
b) i geni mostrano stabilità sia nei livelli di espressione che nella localizzazione
genomica
c) non sono stati osservati effetti avversi tra i due geni.
Questi nuovi genotipi gm di canna da zucchero denominati SC25-1, si adatterebbero
molto bene alle condizioni climatiche del Brasile, anche se i maggiori risultati produttivi si
sono avuti nelle regioni del nord est del paese.
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Non c’è ancora l’autorizzazione di poter coltivare la varietà SC25-1, in quanto,
nonostante l’impatto positivo che questa potrebbe avere per il minor uso di erbicidi ed
insetticidi, ci sono ancora molte riserve legate ad una diminuzione degli altri organismi di bio
controllo.
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Bibliografia
Adriana C. Gianotto, Jesus Ap. Ferro- Case study: Sugarcane Genetically
modified to Herbicide and Insect Resistance- ILSI Brazil. Enviromental Risk
Assesment Workshop. August 2008.
Elizabeth A.H. Pilon-Smits, Norman Terry, Tobin Sears, Kees van Dun -
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Biochem. (1999) vol 37 (4) pp 313-317
Pierre A. Pin, Reyes Benlloch, Dominique Bonnet, Elisabeth Wremerth-
Weich, Thomas Kraft, Jan J. L. Gielen, Ove Nilsson - An antagonist pair of FT
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vol. 330 no 6009 pp 1397-1400
Remingo Baldini, Luigi Giardini- Coltivazioni erbacee. Piante oleifere, da
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www.gmo-compass.org
Sitografia
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