Il Progetto ISCOCEM

Sviluppo tecnologico e innovazione

per la sostenibilità e competitività

della cerealicoltura meridionale

Palermo, Orto botanico, 19 settembre 2014

Gaetano Amato, Dario Giambalvo, Paolo Ruisi

Dipartimento di Scienze Agrarie e Forestali, Università di Palermo

CEREALI: il perché di un successo

• Prodotto facilmente conservabile e trasportabile

• Buone caratteristiche nutrizionali del prodotto

• Elevata adattabilità a diversi contesti ambientali

• Semplicità di coltivazione

Colture di antichissima tradizione: nel Meridione

d’Italia coltivati già nel neolitico (ca 7000 a.C.)

Ruolo chiave negli agro-ecosistemi erbacei della regione

Mediterranea

CEREALI MICROTERMI: frumenti, orzo, avena, segale

•Granella per alimentazione umana e animale

•Paglie per lettiera e alimentazione zootecnica

Superfici (ha) investite a cereali microtermi in

Italia nel 2013 (ISTAT 2014)

18% della SAU italiana; 32% della superficie a seminativo;

Frumento duro al sud: 37% della superficie a seminativo

Problematiche attuali della cerealicoltura meridionale

• Ridotto dinamismo (bassa propensione all’innovazione di processo

e di prodotto)

• Ridotta capacità dei diversi operatori del comparto di fare

sistema (‘non c’è dialogo!’)

• Rese basse ed aleatorie

• Costi di produzione elevati

• Scarsa attenzione alla tracciabilità e rintracciabilità dei

prodotti

• Produzioni indifferenziate, non riconoscibili per categorie

qualitative

Punti di forza (potenzialità spesso non espresse)

• Ampia diversità sia di materie prime (ecotipi locali, ambienti

di coltivazione) sia di prodotti di trasformazione (pane, pasta,

biscotti, etc.)

• Espressione e patrimonio di storia, tradizioni e cultura del

nostro Paese

• Valore salutistico delle produzioni (‘assenza’ di micotossine)

• Industria pastaria competitiva

• Affermazione della dieta mediterranea quale modello

alimentare nazionale ed internazionale

PROGETTO ISCOCEM - PON01_01145

L’obiettivo generale del progetto è quello di

aumentare la competitività delle filiere

cerealicole delle regioni dell’Italia

meridionale.

Sviluppo tecnologico e innovazione

per la sostenibilità e competitività

della cerealicoltura meridionale

Fondazione Angelo e Salvatore Lima Mancuso (capofila)

10 Istituzioni pubbliche di ricerca 6 Università (Bari, Catania, Foggia, Palermo, Reggio Calabria, Salento)

Consiglio Nazionale delle Ricerche

Consiglio per la Ricerca e la Sperimentazione in Agricoltura (2 sedi)

Consorzio “Gian Pietro Ballatore”

8 aziende private 3 aziende agricole (Bulfara, S.S. Crocifisso, Pietranera)

1 azienda sementiera (COSEME)

3 industrie di trasformazione (Ioppoli, Jesce, Tomasello)

1 azienda di servizi e gestione (A.M.T. Services)

6 soggetti terzi di cui 4 fuori dall’area di intervento

Partnership pubblico-privata

Ricerca

Produttori di materia prima

Sementieri

Trasformatori

Formazione

(10 tecnici;

24 esperti)

Divulgazione

Programma di azioni integrate e sinergiche di natura sia

scientifica che tecnica

Obiettivi realizzativi Linee

di attività

OR 1 Razionalizzazione di fattori tecnici in rapporto all'ambiente per lo

sviluppo di sistemi cerealicoli sostenibili 4

OR 2

Sviluppo di nuovi genotipi di cereali con elevata adattabilità,

produttività, valore tecnologico

3

OR 3 Identificazione di nuovi geni per il miglioramento del frumento duro

e altri cereali

11

OR 4 Sviluppo e valutazione di prodotti alimentari con materie prime di

qualità a base di farro e avena nuda

5

OR 5 Valorizzazione delle materie prime, dei processi e dei prodotti nelle

fasi di produzione, di prima e seconda trasformazione della filiera

del grano duro

8

OR 6 Tracciabilità, rintracciabilità e sicurezza alimentare nella filiera

cerealicola

4

OR 7 Marketing 5

Sviluppo tecnologico e innovazione per la sostenibilità e competitività della

cerealicoltura meridionale

Razionalizzazione di fattori tecnici in rapporto all'ambiente

per lo sviluppo di sistemi cerealicoli sostenibili

OR 1

1.1 Sviluppo di disciplinari di produzione per sistemi cerealicoli sostenibili

nell'ambiente meridionale

1.2 Valutazione delle prestazioni agronomiche ed ambientali di sistemi

colturali sostenibili in confronto con sistemi colturali convenzionali

1.3

Individuazione e messa a punto di tecniche di gestione conservative del

suolo e dei residui colturali per la salvaguardia dell’ambiente ed il

contenimento dei fattori di degrado

1.4

Ottimizzazione della concimazione per una cerealicoltura sostenibile e di

elevata qualità e tipicità

2.1 Messa a punto e applicazione di un protocollo di MAS per lo sviluppo di

linee e varietà di grano duro resistenti alle ruggini e all'oidio

2.2 Miglioramento genetico del frumento duro

2.3 Recupero della biodiversità e valutazione di materiali genetici

Sviluppo di nuovi genotipi di cereali con elevata

adattabilità, produttività, valore tecnologico

OR 2

3.1 Sviluppo di nuovi data-set di marcatori SNP per mappe genetiche

3.2 Identificazione di nuovi alleli selvatici mediante caratterizzazione fenotipica e

molecolare di linee di introgressione

3.3 Identificazione di geni e proteine coinvolte nel metabolismo dell'azoto

3.4 Identificazione di marcatori molecolari associati a geni per l’elevata efficienza di

utilizzo dell’azoto

3.5 Identificazione di microRNA e loro target coinvolti nella risposta a variazioni del livello

di azoto

3.6 Individuazione di meccanismi di tolleranza allo stress idrico in varietà autoctone e

moderne

3.7

Analisi di espressione mediante array o sequenziamento massivo-parallelo della

risposta a stress idrico/termico per l’identificazione di expression-QTL (loci che

controllano il livello di espressione di geni coinvolti nella risposta a stress)

3.8 Identificazione di microRNA e loro target coinvolti nella risposta a stress idrico

3.9 Studio dei geni per la biosintesi dell’amido

3.10 Identificazione di geni coinvolti nell’uptake di metalli pesanti in frumento duro

3.11 Caratterizzazione di geni coinvolti nella transizione ed organogenesi fiorale in frumento

Identificazione di nuovi geni per il miglioramento del

frumento duro e altri cereali

OR 3

Sviluppo e valutazione di prodotti alimentari con

materie prime di qualità a base di farro e avena nuda

4.1 Valutazione dell’adattabilità e agrotecnica a basso impatto ambientale per la

coltivazione di avena nuda e farro in ambiente meridionale

4.2 Sviluppo e caratterizzazione di genotipi di grano monococco e duro a ridotta o

nulla attività inibitoria verso le anti-endoxilanasi e ad alterato rapporto

amilosio/amilopectina ottenuti mediante TILLING (Targeting Induced Local Lesions

In Genomes) e isolamento di genotipi con mutazioni a carico dei geni codificanti

per i componenti dell’amido

4.3 Studio della variazione dei livelli dei componenti bioattivi (contenuto in TDF, amido

resistente, arabinoxilano, β-glucano, composti antiossidanti, microelementi)

identificati durante le fasi di trasformazione al fine di ottimizzare la qualità

nutrizionale dei prodotti

4.4 Sfarinati, pasta, pane e prodotti alimentari a base di farro o avena, in purezza o in

miscela tra loro e/o con frumento

4.5 Standardizzazione di tecnologie innovative di prima trasformazione per valorizzare

e/o salvaguardare il valore nutrizionale della granella

OR 4

5.1 Studio dei processi di lavorazione e di controllo delle fasi di molitura e pastificazione

5.2 Ottimizzazione e collaudo di diagrammi di macinazione ad alta efficienza energetica

5.3 Estrazione e caratterizzazione di sostanze antiossidanti dalla granella e dai

sottoprodotti e/o derivati dell’industria molitoria del grano duro

5.4 Esecuzione di prove di pastificazione fresca/secca in presenza di estratti fenolici e/o

di isoprenoidi

5.5 Determinazione delle caratteristiche qualitative sensoriali, nutrizionali e

nutraceutiche della pasta arricchita

5.6 Esecuzione di prove di panificazione in presenza di estratti fenolici e/o di isoprenoidi

5.7 Determinazione delle caratteristiche qualitative sensoriali, nutrizionali e

nutraceutiche del pane arricchito di sostanze fenoliche e/o di isoprenoidi

5.8 Valorizzazione dei derivati dell’industria molitoria del frumento duro per la qualità e

salubrità del latte e delle carni bovine ed ovine

Valorizzazione delle materie prime, dei processi e dei

prodotti nelle fasi di produzione, di prima e seconda

trasformazione della filiera del grano duro

OR 5

6.1 Caratterizzazione varietale di colture convenzionali e in biologico

attraverso metodologie di proteomica

6.2 Tecnologie avanzate di tracciabilità e rintracciabilità in prodotti finiti

6.3 Fattori genetici e molecolari finalizzati alla tracciabilità ed alla

sicurezza dei prodotti di prima e seconda trasformazione

6.4 Identificazione di protocolli di comunicazione ITC standard a

supporto dei processi di tracciabilità e rintracciabilità di filiera del

frumento duro

Tracciabilità, rintracciabilità e sicurezza

alimentare nella filiera cerealicola

OR 6

7.1 Definizione di marchi di origine e qualità

7.2 Ricerca di nuovi ambiti di mercato e sistemi di vendita per nuove

tipologie di materia prima e prodotti finiti di alta qualità e tipicità atti a

soddisfare le esigenze del consumatore moderno

7.3 Indagini tecnico-economiche, conoscitive ed analisi strutturale ed

organizzativa dei diversi segmenti della filiera cerealicola

7.4 Educazione alimentare

7.5 Promozione di interventi per lo sviluppo di una politica per la crescita

della competitività del settore cerealicolo meridionale

Marketing

OR 7

I frumenti antichi siciliani

Recupero della biodiversità

Elevato numero di

popolazioni locali

(agro-ecotipi)

Molteplici situazioni pedo-

climatiche e tipologie di

gestione del territorio

Pressione selettiva

esercitata nel tempo

dall’ambiente e dall’uomo

EROSIONE del patrimonio genetico autoctono

(siciliano) di Triticum durum

Schreiber (1934) 160 agro-ecotipi

De Cillis (1942) 45 agro-ecotipi

Gallo et al. (2004) 25 agro-ecotipi

1920-1950 - Selezione genealogica da popolazioni locali ed esotiche

1950-metà anni ’60 - Selezione dalle popolazioni segreganti ottenute per

ibridazione controllata di frumenti duri della zona del Mediterraneo

Metà anni ‘60-1973 - Introgressione di caratteri importanti attraverso

incroci interspecifici (con altri frumenti tetraploidi e con frumenti esaploidi).

Uso della mutagenesi

1974-1979 - Introgressione dei geni

Rht per la taglia ridotta e incroci con

materiali provenienti dal CIMMYT

Dagli anni ‘80 ad oggi - Intensa attività di miglioramento genetico e

costituzione di decine di nuove varietà

Varietà moderne vs ‘popolazioni antiche’

> Produzione in granella

> Precocità

< Taglia

> Fertilità della spiga

> Peso di 1000 cariossidi

< Suscettibilità ad alcune

avversità biotiche

> Qualità tecnologica

> Indice di glutine

> Indici alveografici (W, P/L)

Quindi, perché

coltivare le

vecchie varietà

o le popolazioni ?

Sintesi dei risultati di diverse ricerche

• Maggiore efficienza di utilizzazione delle risorse

(acqua, luce, nutrienti) anche allorquando le stesse sono

contese

• Maggiore abilità competitiva nei confronti delle infestanti

• Co-prodotto: paglia (utilizzazione zootecnica, filiera

energetica, sostanza organica apportata al suolo)

• Qualità sensoriale – prodotti tipici

Popolazioni antiche: Aspetti da considerare

• Aspetti salutistici

Varietà

Antiche (3) Moderne (7)

Contenuto (μmol acido gallico

equiv./100 g)

Composti liberi 182 178

Composti legati 696 687

Variabilità nei composti fenolici dello sfarinato integrale di

grano duro (da Dinelli et al., 2009)

Numero Composti liberi 8,7 4,4

Composti legati 12,0 8,4

Glutine: complesso proteico costituito da gliadine e

glutenine; le α-gliadine vengono scisse, nel lume

intestinale, in frazioni più piccole con la formazione di

alcuni peptidi potenzialmente tossici, che rappresentano

i determinanti antigenici responsabili dell’insorgenza della

risposta immunitaria

G1 G2 G3

21 Landraces

(1900-1950)

8 Selezioni da

incrocio e

mutagenesi

(1940-1970)

7 Varietà moderne

(1970-2000)

Antesi g 123 111 108

Altezza cm 129 104 89

Biomassa g/m2 1674 1413 1517

Granella g/m2 306 384 513

HI 0.18 0.27 0.34

P1000 g 34.5 35.9 38.3

Proteine granella % 13.7 13.8 12.9

Azoto paglia % 0.76 0.82 0.79

NHI 0.41 0.52 0.59

Gluten Index % 31.8 34.3 86.9

Caratteristiche feno-morfologiche e produttive di 3 gruppi di genotipi di

frumento duro (da Motzo et al. 2004)

Gli-A2

γ-Gli ω-Gli α-Gli

Timilia 1900 30 2.67 20 45;46 23;35 76;78;80;82;85

Russello 1910 40 1.52 13+16 45;46;51 23;25;35;38 76;78;80;82;85;94

Cappelli 1915 80 1.89 20 45;51 23;35 73;77;79;84;89

Aziziah 1919 99 1.02 6+15 42 25;33;35;38 73;77;79;84;89

Grifoni 235 1949 104 1.46 7+8 45;46 23;31;35 76;78;80;82;85;94

Capeiti 8 1950 97 1.11 20 45;46 35 73;77;79;84;89

Trinakria 1970 75 1.74 20 45;46 35 73;77;79;84;89

Appulo 1973 58 1.21 20 45;46 23;35 73;77;79;84;89

Creso 1974 146 1.82 6+8 45;51 23;35 73;77;79;84;89

Valnova 1975 128 0.89 7+8 45;51 23;35 73;77;79;84;89

Arcangelo 1983 111 1.88 20 45;51 23;35 73;77;79;84;89

Duilio 1984 127 2.17 7+8 45;51 23;35 76;78;80;82;85;94

Simeto 1988 194 2.59 7+8 45;51 23;35 73;77;79;84;89

Ofanto 1990 49 1.56 20 45;51 23;35 73;77;79;84;89

Gli-B1

GenotipoAnno di

CostituzioneW P/L Glu-B1

Indici alveografici e composizione delle glutenine e delle gliadine (da De Vita et al. 2007)

«Forza» «Elasticità»

È possibile che le modifiche indotte dal

miglioramento genetico sulla composizione e

qualità del glutine abbiano qualche relazione

con l’aumento dell’incidenza delle patologie

glutine-correlate (celiachia, allergia e

ipersensibilità al glutine)?

? ?

Ricerca in corso: tipizzazione di antiche popolazioni siciliane

e varietà di frumento duro dal punto di vista genomico e

proteomico al fine di identificare (anche attraverso saggi di

vitalità e tossicità cellulare eseguiti in vitro) eventuali genotipi

contenenti peptidi tollerati dai soggetti affetti da

ipersensibilità al glutine

Ricerche in atto:

- Completare la caratterizzazione morfo-agronomica del

germoplasma autoctono, incentrando l’attenzione sulla variabilità di

risposta a stress biotici (patogeni, fitofagi, ecc.) e abiotici (idrici,

termici, nutrizionali, ecc.) nonché sui meccanismi genetici e

fisiologici che ne stanno alla base

- Approfondire le conoscenze sugli aspetti nutrizionali, salutistici e

sensoriali

- Effettuare la genotipizzazione (con metodiche molecolari) anche al

fine di garantire la tracciabilità dei prodotti nella filiera agro-

alimentare

Il Progetto ISCOCEM

Sviluppo tecnologico e innovazione

per la sostenibilità e competitività

della cerealicoltura meridionale

Palermo, Orto botanico, 19 settembre 2014

Gaetano Amato, Dario Giambalvo, Paolo Ruisi

Dipartimento di Scienze Agrarie e Forestali, Università di Palermo