Pioppi transgenici a lignina modificata: impatto ambientale e qualità  commerciali

La lignina costituisce il prodotto naturale organico noto più abbondante in natura dopo la cellulosa.

La lignina, un complesso polimero fenolico localizzato nella parete delle cellule vegetali, costituisce il prodotto naturale organico noto più abbondante in natura dopo la cellulosa.

La lignina contribuisce alla resistenza meccanica, alla difesa dall'attacco di patogeni, all'impermeabilità all'acqua e la sua struttura può variare tra specie diverse, tra diversi tipi cellulari della stessa pianta o tra regioni diverse della parete della stessa cellula.

Nel corso della polimerizzazione della lignina ciascun precursore, monolignolo (alcool p-cumarico, alcool coniferilico, alcool sinapico), può formare molti tipi di legami con altri precursori e con altri costituenti della parete cellulare costruendo così una comlpessa struttura tridimensionale.

Nonostante i molti punti ancora incerti, è stata delineta una via di biosintesi dei monolignoli (Fig.) ed è stato stabilito che esistono importanti differenze nella composizione della lignina dei maggiori gruppi di piante superiori: la lignina delle Gimnosperme è costituita per lo più da unità  G (guaiacyl residue) e in minor misura da unità  H (hydoxyphenyl residue), mentre la lignina delle Angiosperme contiene quantità  uguali delle unità  G e S (syringyl residue) e una piccola frazione di unità  H (Fig.).

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L'ingegneria genetica ha fornito uno strumento potente per chiarire i meccanismi di biosintesi della lignina e la sua composizione e ha messo in luce le importanti applicazioni delle piante transgeniche a lignina modificata.

Nel processo di fabbricazione della carta difatti la lignina deve essere rimossa dalla cellulosa e dall'emicellulosa con l'ausilio di prodotti chimici costosi e nocivi (chemical pulping): un legno modificato per il contenuto e la qualità della lignina potrebbe venir delignificato efficacemente utilizzando quantità minori di tali reagenti.

Da diversi anni si studia l'effetto sul contenuto e la composizione della lignina del silenziamento di alcuni geni coinvolti nella biosintesi dei monolignoli.

Recentemente questa analisi è stata condotta in campo per poter valutarne l'applicabilità, l'impatto ecologico e il reale interesse economico (Pilate et al., 2002).

Solo in queste condizioni infatti si possono apprezzare variabili che in serra non intervengono come il vento, la pioggia, il freddo e verificare l'interesse commerciale che deriva dall'ottenere in regioni diverse piante che presentano le stesse caratteristiche agronomiche e performances simili nel processo di delignificazione.

Lo studio è stato condotto su pioppi transgenici in cui sono stati silenziati il gene COMT o il gene CAD (Fig.).

Due linee selvatiche, due linee modificate per il gene CAD (ASCAD21 e ASCAD52) e due linee modificate per il gene COMT (ASOMT2B e ASOMT10B) sono state fatte crescere per quattro anni in Francia e in Inghilterra (qui la durata è stata minore).

Sono stati seguiti molteplici parametri ecologici e analizzate le caratterisitiche della lignina interessanti per il processo di fabbricazione della carta.

I caratteri fenologici sono uguali per tutte le linee, trasformate e non, così come i parametri di crescita seguiti, altezza e diametro del tronco (a parte alcune variazioni dovute alle differenze climatiche).

L'analisi delle interazioni biologiche con insetti, funghi e batteri hanno messo in evidenza che le linee transgeniche non subiscono attacchi più pronunciati che le piante selvatiche, che i loro tessuti vengono perfettamente tollerati dagli insetti erbivori e che le specie ospitate sono le stesse che visitano le piante selvatiche.

Sono quindi state prese in considerazione la biologia del suolo e la decomposizione delle radici.

Il suolo è stato analizzato per il contenuto di carbonio, azoto, biomassa e attività microbica.

Tutti i parametri relativi alla biologia del suolo rimangono inalterati in prossimità delle piante trangeniche fatta eccezione per l'attività  microbica nel suolo di ASCAD52 e ASOMT2B che per altro non rivela una correlazione con l'espressione del transgene (queste linee hanno la lignina meno alterata), ma è probabilmete dovuta ad un intrinseca variabilità delle proprietà del suolo.

La decomposizione della lignina invece è più pronunciate nelle piante transgeniche che nelle selvatiche, risultato prevedibile considerando che una lignina modificata potrebbe essere meno resistente all'attacco microbico nel suolo.

Sono state analizzate infine le attività degli enzimi COMT e CAD e la struttura della lignina.

La riduzione delle attività enzimatiche CAD e COMT, minore di quella ottenuta nelle piante in serra, rimane pressoché costante nel tempo e il legno degli alberi mostra una colorazione rossa o rosa pallido dovuta alla lignina modificata.

I più rilevanti cambiamenti nella struttura della lignina, stimati sulla base della quantità di unità S e G, sono stati riscontrati nelle linee ASOMT, mentre la linea ASCAD21 mostra un maggior rilascio di gruppi fenolici, un'alterazione importante per il processo di riduzione a polpa nella fabbricazione della carta.

L'interesse del legno dei pioppi transgenici nella lavorazione industriale è stato valutato cercando di determinare la quantità  ottimale di reagenti chimici necessari per ottenere una buona delignificazione.

Si è stabilito che la linea ASCAD21 è più facilmente delignificata utilizzando una minore quantità di prodotti chimici e fornisce la maggiore quantità di polpa con la minor degradazione di cellulosa.

Viceversa le linee con il gene COMT silenziato hanno una lignina senza dubbio alterata, ma difficile da eliminare e quindi poco interessante per questo tipo di applicazioni.

Due importanti conclusioni sono quindi messe in luce in questo articolo: innanzitutto la possibilità concreta di modificare il contenuto e la struttura della lignina per migliorare l'impatto ambientale del processo di fabbricazione della carta, in secondo luogo la necessità di verificare in campo la fattibilità di tali colture, dal punto di vista agronomico, ecologico e commerciale.

Ma ciascuno di noi dovrebbe riflettere su queste cifre: nel 2000 sono stati prodotti nel mondo 185 milioni di tonnellate di polpa di legno, 70% dei quali derivano da lavorazione chimica!

Bibliografia

Pilate, G., Guiney, E., Holt, K., Petit-Conil, M., Lapierre, C., Leplé, J-C., Pollet, B., Mila, I., Webster, E.A.,.Marstorp, H.G., Hopkins, D.W., Jouanin, L., Boerjan, W., Schuch, W., Cornu, D. e Halpin C. (2002). Field and pulping performances of transegenic trees with altered lignification. Nature Biotechnology 20: 607-612.

Sitografia

Field and pulping performances of transgenic trees with altered lignification - Nature Biotechnology www.nature.com/nbt/journal/v20/n6/abs/nbt0602-607.html