AGRICOLTURA COME TECNOLOGIA PASSATO, ATTUALITÀ E PROSPETTIVE

Luigi Mariani Museo Lombardo di Storia dell’Agricoltura e Università degli studi

di Milano - Disaa

Luigi Mariani

Museo Lombardo di Storia dell’agricoltura Unimi Disaa

https://allthingsgeography1.wordpress.com/tag/agriculture/

Credits: Reuters/Erik De Castro

definizione practica: coltivazione di piante e allevamento di animali per produrre cibo e beni di consumo definizione ecologica: simbiosi mutualistica fra esseri umani, piante e animali definizione biologica: governo del ciclo del carbonio da parte dell’uomo nelle due fasi cruciali di fotosintesi e respirazione

Definizioni di agricoltura

L’agricoltura come componente di una filiera agro-alimentare sempre più articolata: non solo azienda/campo ma filiera a monte (concimi, fitofarmaci, mangimi, meccanica, ecc.) e filiera a valle (conservazione, trasformazione, commercilizzazione all’ingrosso e al dettaglio). Oggi oltre il 50% delle popolazione mondiale è inurbata e rifornire una città presuppone una struttura logistica complessa che coinvolge agricoltori, industria e commercio nel raggio di migliaia di chilometri (altro che chilometro 0...).

Agricoltura e filiera agro-alimentare

Buenos Aires - www.expedia.com

Filiera agro-alimentare www.freshpaza.it

Un approccio storico

Rispetto all’agricoltura (fenomeno che data alcune decine di migliaia di anni1) è più che mai essenziale porsi in una logica di tipo vichiano (non si può pretendere di analizzare e comprendere un fenomeno se non se ne indagano le origini e l’evoluzione nel tempo). Per ragoni di tempo ragioneremo soprattutto di XX secolo ma vi saranno richiami a epoche più remote…

(1) La rivoluzione neolitica si colloca 10000 anni Bp ma è preceduta da una lunga fase di proto-agricoltura basata sul fuoco (fase di ignicoltura – Forni, 2013)

Fin dalle origini l'agricoltura si fonda sull'innovazione (rivoluzione del fuoco, neolitica, dell’aratro, del ferro, ecc.). Riflessione antropologica: l'uomo replica quanto accade in natura potenziandolo ai propri fini (fuoco, agricoltura, fusione metalli..). Ciò vale anche per gli OGM… Capacità di innovare: - da sempre uno dei caratteri chiave dell’agricoltura (siamo agli antipodi rispetto a chi ci parla di antichi saperi, tradizioni millenarie, mulini bianchi, ecc.) - è favorita dalle doti di flessibilità proprie di un settore fatto di aziende che non sono la Fiat (esempio del 2003). Innovazione: - nelle agrotecniche (meccanica, idraulica, chimica, ecc.) - nella genetica (nuove specie, nuove varietà)

Rapporto fra agricoltura e innovazione

1a rivoluzione (alcune decine di migliaia di anni fa’) : ingnicoltura. 2a rivoluzione (alcune decine di migliaia di anni fa’) : orticoltura (coltivazione sui cumuli di rifiuti 3a rivoluzione (10mila anni fa): rivoluzione neolitica 4a rivoluzione (Mesopotamia 4000 a.C.): invenzione aratro discissore e carro 5a rivoluzione (medio oriente XII secolo a.C.): rivoluzione del ferro (applicato a aratri, vanghe, zappe, falci ecc.). Diffusa in Italia dagli Etruschi. 6a rivoluzione (epoca traianea / alto medioevo): invenzione aratro rivoltatore. 7a rivoluzione (XVI-XVIII sec): diffusione piante dal nuovo mondo (mais, patata, pomodoro, fagioli, ecc). La reazione negativa rispetto ad alcune di queste (patata) ricorda quella agli OGM 8a rivoluzione (XIX sec.): scoperta della nutrizione carbonica atmosferica e della nutrizione radicale con azoto, fosforo, potassio, ecc. 9a rivoluzione (XX sec): meccanizzazione con trattori, seminatrici, trebbiatrici, ecc. 10a rivoluzione (XX sec): rivoluzione genetica (applicazione leggi di Mendel e scoperta di Watson e Crick).

Rivoluzioni tecnologiche in agricoltura (elenco non esaustivo)

Domesticazione delle piante – avviene in modo sincrono in 4 centri d’origine che “non si parlano” fra loro

Principali centri di domesticazione delle colture con elencate alcune delle principali colture in essi domesticate (Gepts, 2004, modificato).

Nascita dell’agricoltura in quattro centri d’origine molto distanti fra loro (medio-orientale, asiatico, americano, sub-sahariano) avvenuta in modo sincrono alla fine dell’ultima glaciazione (11.000 anni bp). Domesticazione di piante coltivate caratteristiche -> civiltà del frumento, civiltà del riso, civiltà del mais (piante di punta di “pacchetti” di specie caratteristici Cosa significa “domesticare una pianta”: Il caso del frumento In parallelo si ha la domesticazione di animali (in sequenza cane-17000bp, ovi-caprini-11000bp, maiale-10000bp, bue-10000bp, equini-6000bp, ape-6000bp, baco da seta 5000bp, ...)

Alle origini: la rivoluzione neolitica

Due fattori principali: Clima: - mite nell’oscillazione di Allerod - freddo-arido nel Dryas recente Anidride carbonica: passando da 180 (glaciale) a 280 ppmv (interglaciale) fa crescere in modo significativo il potenziale produttivo delle colture (frumento: + 35%), aumentando anche la resistenza allo stress idrico (Sage, 1995) Sage, 1995 "Was Low atmospheric CO2 during the Pleistocene a limiting factor for the origin of agriculture?“

A cosa si deve la sincronicità della rivoluzione neolitica?

above: air temperature at the summit of the Greenland Ice Sheet, reconstructed by Alley (2000) from GISP2 ice core data below: atmospheric CO2 content, as found from the EPICA Dome C Ice Core in the Antarctic (Monnin et al. 2004).

Olocene temperature - Greenland

Termal - pluviometric diagram of Holocene in Europe

Effetti di CO2 su una pianta coltivata e una malerba

von Caemmerer S, Quick WP, and Furbank RT (2012). The development of C4 rice: Current progress and future challenges. Science 336 (6089): 1671–1672.

Plants di Abutilon theophrasti (C3) of 14 days of age, grown the same conditions of light, waer and nutrients. Photo Dippery et al. (1995), shown in Gerhart e Ward, 2010.

Effetti di CO2 su una malvacea C3 (Abutilon theophrasti Medicus)

1850-1879, i 30 anni più neri della viticoltura italiana: in quei trent’anni arrivano dall’America tre malattie che sconvolgono la viticoltura italiana ed europea: - Oidio (1850) - Fillossera (1875) - Peronospora (1879) A salvarci fu la tecnologia (zolfo, solfato di rame, portinnesti americani). Senza questi ritrovati innovativi la viticoltura oggi non esisterebbe.

In sintesi: l’agricoltura è da sempre un’attività innovativa (altro che “antichi saperi”)…

Viticoltura come caso emblematico di innovazione

Peronospora della vite Oidio della vite

XX secolo e rivoluzione verde

Theodore Gericault, Le radeau du Meduse, 1818-19.

Poteva essere il secolo di Malthus, è stato il secolo della rivoluzione verde -> dal 1901 al 2000 la popolazione mondiale si è quadruplicata ma la produzione agricola è cresciuta di 5-6 volte

Produzione delle 4 colture che nutrono il mondo (fonte: faostat3 - http://faostat3.fao.org/download/Q/QC/E)

Resa media ettariale del 2013 rispetto al 1961: Frumento: triplicata (da 1.24 a 3.26 t/ha = +200% = +3.8% l’anno) Mais: quasi triplicata (da 1.9 a 5.5 t/ha =+183% = +3.5% l’anno) Riso: più che raddoppiata (da 1.9 a 4.5 t/ha =+140% = +2.6% l’anno) Soia: più che raddoppiata (da 1.2 a 2.5 t/ha =+119%=+2.3% l’anno)

Maize in USA (decoupling of corn production from area farmed)

Data source: US Census Bureau (1975, 2012) – (from Ausubel J.S,, 2015 - Nature rebounds http://phe.rockefeller.edu/docs/Nature_Rebounds.pdf)

Alcuni dati globali su cui riflettere

A chi va il merito: migliori cure mediche, ambiente più

confortevole e migliore alimentazione, cui l’agricoltura e la

zootecnia offrono un contributo formidabile (vegetali, carne,

pesce, latte, uova…).

Speranza di vita alla nascita a livello mondiale dal 1950 al 2010 e con proiezioni fino al 2100

fonte: ONU - World population prospects - http://esa.un.org/wpp/unpp/panel_indicators.htm

Percentuale di sottonutriti sulla popolazione mondiale (fonte: FAO)

Il clima del XX secolo (fattosi finalmente mite dopo la fine della Piccola Era Glaciale) Gli elevati livelli di CO2 (se riportassimo CO2 ai livelli pre-industriali la produzione agricola globale clareebbe del 30%) (Araus, 2003; Sage, 1995; Safe & Coleman, 2001). Araus et al., 2003. Productivity in prehistoric agriculture: physiological models for the quantification of cereal yields as an alternative to traditional Approaches, Journal of Archaeological Science 30, 681–693 Sage, R.F., 1995. Was low atmospheric CO2during the Pleistocene a limiting factor for the origin of agriculture? Global Change Biol. 1,93–106 Sage R.F., Coleman J.R., 2001. Effects of low atmospheric CO2 on plants: more than a thing of the past, TRENDS in Plant Science Vol.6 No.1 January 2001.

I due grandi e misconosciuti alleati delle rivoluzione verde

Global greening

Figure - Corroborating satellite images, models simulate greening 1990–2011 with growing net primary production spanning tropical, temperate, and boreal regions and all vegetation types but also some areas with losses. Trend measured in grams of carbon per square meter per year. (Sitch et al. 2015).

References Herrmann S.M., Anyambab A., Tucker C.J., 2005. Recent trends in vegetation dynamics in the African Sahel and their relationship to climate, Global Environmental Change, Volume 15, Issue 4, December 2005, Pages 394-404 Helldén U. and Tottrup C., 2008. Regional desertification: A global synthesis. Global and Planetary Change 64 (2008) 169–176 Sitch, S., et al. 2015. “Recent trends and drivers of regional sources and sinks of carbon dioxide.” Biogeosciences 12:653–679. http://www.biogeosciences.net/12/653/2015/

Zeng etal 2014. Agricultural Green Revolution as a driver of increasing atmospheric CO 2 seasonal amplitude, Nature, vol 5015, 20 nov. 2014,

Crop fraction of the global greening

CANADA – YOHO NATIONAL PARK - FIELD OF WHEAT NEAR DRUMHELLER - http://www.giorgiozanetti.ca/rockies_2006/yoho_banff_2006/yoho_banff_album_2006.html

Paesaggi della green revolution - Frumento - Canada

Paesaggi della green revolution - riso (Hunan – Cina) Wangcheng District of Changsha, capital of central China's Hunan Province, Oct. 28, 2013 -

http://news.xinhuanet.com/english/photo/2013-10/29/c_132841601_2.htm

Paesaggi della green revolution – mais (Usa/corn belt)

Paesaggi della green revolution - Soia nella pampa argentina

Paesaggi della green revolution – Cotone Australia

Sourcehttps://www.agric.wa.gov.au/genetic-modification/information-genetically-modified-gm-crops

Source: https://www.agric.wa.gov.au/genetic-modification/information-genetically-modified-gm-crops

Paesaggi della green revolution – Colza Australia

Innovazione nelle agrotecniche

Innovazione nelle agrotecniche Figlia di meccanica agraria, idraulica, chimica agraria, ecc.

Irrigazione con grande ala piovana (rendimento: oltre l’80%)

Nature 515, 351–352 (20 November 2014)

L’irrigazione aumenta e stabilizza nel tempo le produzioni agricole Oggi interessa il 20% degli arativi (300 milioni di ha) che producono il 40% della produzione agraria globale.

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Sistemazione a onde negli Usa

Sistemazioni idraulico-agrarie

Innovazione nella genetica

Innovazione nella genetica – le basi scientifiche

Teoria dell’evoluzione (Darwin - 1842)

Leggi sull’ereditarietà dei caratteri (Mendel – 1865)

Teoria dei centri genetici delle colture (Vavilov – 1926)

Trasposoni (McClintock – 1951)

Struttura tridimensionale DNA (Watson e Crick – 1953)

Come si è fatta innovazione: - dalle origini al XIX secolo - nel XX secolo dopo la riscoperta delle leggi di Mendel - dopo la scoperta di Watson e Crick

Innovazione nella genetica

Triticum boeoticum Boiss. – antenato selvatico (2n=14)

Based on Harlan & Zohary, 1955 - https://sites.google.com/site/arbabajojarama/herbario/familias/generos/Especies/triticum-boeticum-boiss-escanda-o-trigo-silvestre

Triticum boeoticum Boiss. - foto di Dario Melia https://plus.google.com/photos/105675413515082491353/albums/5751610229201552561

Carta dell’areale di T. boeoticum

What means crop domestication – the case of winter cereals

- increase in grain dimension - from grains tightly enclosed by glumes to “naked” grains

- from brittle rachis that breaks easily on threshing to tough rachis

Prima del XX secolo: il frumento passa da 14 a 42 cromosomi

T. monococcum x Aegilops speltoides

T. durum x Aegilops squarrosa

T. aestivum

Triticum monicoccum L. (primo grano coltivato)

14 cromosomi

Triticum durum L. (Grano duro)

28 cromosomi

Triticum aestivum L. (Grano tenero) 42 cromosomi

Triticum Boeoticum Boiss. (antenato selvatico)

14 cromosomi

Quando: fra 6000 e 9000 anni orsono Dove: Medio Oriente, Egitto, Grecia Come: - campi coltivati infestati da graminacee de genere Aegilops - spighe più grandi che l’agricoltore raccoglie e risemina - frumento=specie autogama -> i caratteri si fissano con facilità nella progenie Il cibo di Frankenstein è con noi da migliaia di anni e con esso produciamo pane e pasta, le eccellenze alimentari… (Frankenstein; or, the modern Prometheus è il titolo dle libro di mary Shelley…)

Lo scenario della selezione di grano duro e tenero - una deduzione “inquietante“

XX secolo – i frumenti a taglia bassa (figli della genetica mendeliana)

1910 altezza=180 cm

1940 altezza=110 cm

2010 altezza=80 cm

(http://www.limagrain.com)

1565* altezza=180 cm

(*) Pieter Bruegel il vecchio, mietitori (1565).

I creatori dei frumenti a taglia bassa

Nazzareno Strampelli con la moglie Norman Borlaug

Come hanno agito: hanno sfruttato incroci con varietà giapponesi a taglia bassa (Akagomuci e Norin 10)

La genetica tradizionale supera la barriera fra le specie -> esempi: - ibridi Triticum aestivum x Aegilops ovata per la resistenza al freddo) - ibridi mandarino pompelmo - ecc. -> con tali operazioni si sono trasferiti in modo “cieco” migliaia di geni, senza avere la più pallida idea di quali fossero le conseguenze (che tuttavia si sono rivelate in genere positive…) Un grande affinamento rispetto a tali tecniche consiste nel trasferire solo e unicamente i geni che interessano -> ecco la ragione degli OGM, figli della scoperta di Watson e Crick

XX secolo - Incroci interspecifici

-Trasferimento di geni da una specie all'altra: assai diffuso in natura ove dà un grande contributo all’evoluzione -> es: insetti ematofagi e trasferimento di geni fra uomo ed altri animali (Gilbert et al., 2014); Agrobacterium e trasferimento di geni fra vegetali -> l'uomo replica quanto accade in natura potenziandolo per i propri fini

Caso più classico di OGM: Bacillus turingiensis presenta un gene che sintetizza una proteina tossica per varie specie di insetti (un insetticida naturale, il che fa si che tale batterio sia usato da decenni per la lotta biologica) -> si trasferisce il gene responsabile in mais....

-Nel caso in cui il trasferimento di geni avvenga all’interno della stesso specie/genere si parla di organismi cisgenici mente se la cosa avviene fra specie/generi diversi si parla di transgenici. Gli organismi che derivano da tali pratiche sono Organismi Geneticamente Modificati – OGM)

Gilbert et al, 2010. A role for host - parasite interactions in the horizontal transfer of transposons across phyla,Nature, Vol 464, 29 apr.

Organismi Geneticamente Modificati - definizione

Gli OGM (figli della scoperta di Watson & Crick)

http://www.nature.com/scitable/knowledge/library/use-and-impact-of-bt-maize-46975413

BT coleoptera Non BT Non BT BT

Piralide (Ostrinia nubilalis) Diabrotica (Diabrotica virgifera virgifera) I mais BT

http://www.isaaa.org/resources/publications/briefs/49/pptslides/pdf/B49-Slides-English.pdf

Fino a non molti anni orsono l’agricoltura USA era estensiva (a basse rese) e l’agricoltura italiana era intensiva. Oggi i rapporti si stanno invertendo (anche grazie agli OGM). Secondo dati FAO (faostat3) la produzione media annua di mais nel ventennio 1981-2000 era di 81 q/ha in Italia e di 73 q/ha negli USA mentre nel tredicennio 2001-2013 le posizioni si sono invertite con 90 q/ha in Italia (+11% rispetto a 1981-2000) e 93 q/ha negli USA (+27% rispetto a 1981-2000). Da questo gap discende almeno in parte la sempre più forte dipendenza dall’estero per le materie prime essenziali per la nostra industria alimentare.

OGM: Li consumiamo ma non li produciamo il rapporto con i competitor

Potenziali problemi per l'uomo per l'ambiente e insiti nelle tecniche Ogm ovvero perché potrebbero essere dannosi? - Per la salute umana e animale -> tossicità, allergie -> la tranquillità ci deriva dai test eseguiti dalle autorità di controllo - Per l’ambiente -> occorre valutare caso per caso e sperimentare prima in laboratorio e poi in campo (esempio del salmone transgenico: gli individui sono tutti dello stesso sesso e sterili per cui il loro rilascio nell’ambiente non può inquinare le popolazioni naturali).

Le paure (e come queste vengono superate)

Cibi OGM: salubrità per uomo e animali

Cibi prodotti con OGM: consumati nel mondo da oltre 20 anni (anche da noi) senza che si siano riscontrate patologie specifiche o controversie legali di rilievo (Key et al., 2008).

Controlli sulla salubrità dei cibi OGM: sono condotti ad es. da EFSA (Eu) o FDA/USDA (Usa) e sono molto stringenti (molto più di quanto lo siano quelli sui cibi derivanti da colture tradizionali), per cui garantiscono la stessa sicurezza degli analoghi cibi convenzionali (UE, 2010).

Conclusione di numerosi panel di esperti internazionali: a) cibo transgenico è altrettanto sicuro del cibo prodotto in altro modo b) le tossinfezioni alimentari (da Salmonelle, clostridi, ecc.) sono molto più pericolose per la salute umana (DeFrancesco, 2013). DeFrancesco L., 2013. How safe does transgfenic food need to be?, Nature

biotechnology, val. 31, n.9, sept. 2013

European Commission, 2010. A Decade of EU-funded GMO Research 2001–2010

(eu, Luxemburg, 2010).

Key , Ma J. K.C. and Drake P.M.W., 2008. Genetically modified plants and human

health, Journal of the Royal Society of Medicine, 101:280.

Sovranità alimentare: siamo dipendenti dall’estero per il 35% dei concentrati per l’alimentazione zootecnica e per il 50% del grano duro da pasta. Parlare di eccellenze alimentari nazionali è sempre più difficile…. Uscire da una tecnologia significa abbandonarla nelle mani dei privati (le multinazionali…) mentre ci sarebbe oggi bisogno di ricerca pubblica per due motivi -> 1. Evitare derive indesiderate 2. Coprire settori che il privato non ha interesse a

sviluppare (es. mais vs grano duro)

Problemi politici aperti

CANADA – YOHO NATIONAL PARK - FIELD OF WHEAT NEAR DRUMHELLER - http://www.giorgiozanetti.ca/rockies_2006/yoho_banff_2006/yoho_banff_album_2006.html

Le sfide per il futuro: nutrire il mondo nel 2050

Secondo FAO (2003 e 2006) occorrerà: -aumentare del 50-70% la produzione agricola

-difendere i suoli agricoli da urbanesimo e altri usi

-fare educazione alimentare (equilibrio fra cibi di origine vegetale e animale, diete equilibrate)

- rendere l’agricoltura meno esposta alla variabilità del clima, più sostenibile e più rispettosa della biodiversità

Cosa fare per soddisfare le esigenze alimentari di 9.3 miliardi di abitanti?

arativi: 1,4 miliardi di ha (0,20 ha per abitante) Terreni irrigui : 320 milioni di ha (20% degli arativi; 40% del prodotto) pascoli: 3,2 miliardi di ha (0,5 pro capite) foreste : 4 miliardi di ha (0,6 pro capite) Colture permanenti: 160 milioni di ha Popolazione inurbata: 52% della popolazione del pianeta -> urge una nuova rivoluzione verde con innovazioni massicce nei settori delle genetica e delle agrotecniche (più tecnologia!) -> questo a mio avviso il messaggio che avrebbe dovuto dare Expo 2015.

Risorse e vincoli

1. la competizione non dovrebbe creare penuria di generi alimentari o produrre eccessivi incrementi di prezzo -> da questo punto di vista l'agricoltura è favorita dal fatto che abbiamo un raccolto ogni 6 mesi ed è raro che più raccolti consecutivi siamo al di sotto della norma) -> le sole eccedenze si potrebbero destinare a scopo energetico senza intaccare la sicurezza alimentare. 2. l'uso energetico dovrebbe privilegiare i sottoprodotti (es. paglie), evitando però di intaccare la fertlità dei suoli 3. l'uso energetico dovrebbe privilegiare i reflui zootecnici 4. l'uso energetico dovrebbe essere focalizzato sulle biomasse forestali (gestione razionale del bosco).

Scopi energetici vs scopi alimentari

Ottimizzazione dell’uso delle risorse attraverso: - Agricoltura di precisione - Agricoltura conservativa (inclusa aridocoltura) - Difesa integrata

Prospettive offerte dalle agrotecniche

Vegetali: - introduzione della morfologia C4 in piante C3 - resistenza alle funghi, insetti, ecc. - tolleranza a diserbanti a basso impatto ambientale - resistenza ad avversità abiotiche (siccità, salino, ecc.) - introduzione dei noduli radicali con batteri simbionti - problema della celiachia (intolleranza al glutine)

Animali: - maggiore efficienza di conversione degli alimenti -caratteri graditi all’industria (es: tenore e carateristiche dei grassi e delle proteine del latte) -caratteri graditi al consumatore (es: caratteri organolettici, contenuto in acidi grassi poli-insaturi)

Prospettive offerte dalla genetica

-> Il dibattito sulla tecnologia in agricoltura (su cui Expo 2015 si è ben guardato da far chiarezza) si cala nel più ampio dibattito sulle prospettive dell'umanità -> Un futuro di prosperità (oggi per la prima volta è alla nostra portata un mondo libero dall'insicurezza alimentare).. A condizione di conservare la fiducia nella tecnologia.

Conclusioni

Museo Lombardo di Storia dell'Agricoltura e Museo del pane Sant’Angelo Lodigiano – Castello Visconteo

Fin

e

Perdite globali da parassiti/patogeni/malerbe (Oerke, 2006)

Oerke E.C., 2006. Crop losses to pests, Journal of Agricultural Science (2006), Cambridge University Press , 144, 31–43.

Problemi simili si hannp per le malattie del bestiame.

La chimica in agricoltura

La chimica costa per cui un buon imprenditore 1) la usa solo se necessario e 2) ne fa volentieri a meno se esistono tecniche alternative meno costose. Ma dove si usa la chimica?

Agrofarmaci (insetticidi, fungicidi, diserbanti, farmaci per il bestiame, ecc.): Senza agrofarmaci i danni sarebbero ben maggiori (addio sicurezza alimentare).

Possibili alternative: lotta biologica condotta con i nemici naturali (utili solo in un numero limitato di casi) oppure selezione di varietà vegetali / razze di bestiame resistenti -> innovazione nella genetica

Concimi di sintesi: oggi il 50% delle proteine umane è ottenuto con l’azoto attinto dall’atmosfera con il benemerito processo Haber – Bosch. Rinunciarvi porterebbe ad una catastrofe alimentare.

Possibili alternative: “convincere” le piante ad assorbire l’azoto dall’atmosfera come fanno le leguminose grazie ai batteri in simbiosi con le radici -> innovazione nella genetica