Valorizzazione della diversità delle Brassicaceae per la sostenibilità delle colture e l'innovazione dei prodotti

The crops belonging to the Brassicaceae family have a role of fundamental importance both from an economic point of view, since they are cultivated and known all over the world, and from a nutraceutical one, because they have a phytochemical profile rich in antioxidants, and therefore are considered real: 'functional food'. It is estimated that the world population will reach 9 billion by 2050 for which humanity will have to face various challenges and find solutions to problems related to the need to increase the production of food and energy from crops by at least 70% and will have to do so using more sustainable agriculture and without neglecting the implications connected to the environmental and climatic changes that we are already witnessing today. This PhD thesis in 'Biotechnology' is aimed at the study of resilient, efficient, and sustainable crops grown according to the methods and cultivation techniques of organic farming. It is part of the European project H2020 BRESOV (Breeding for Resilient, Efficient and Sustainable Organic Vegetable, GA n.774244) for which various experimental tests were carried out aimed at the organic breeding and farming of three different crops: Brassica oleracea L. (broccoli, cabbage, cauliflower, kale, white cabbage, kohlrabi), Solanum Lycopersicum L. (tomato) and Phaseolus vulgaris L. (green bean). In this context, experimental tests were carried out on some crops belonging to the Brassica oleracea L. species, in particular on B. oleracea L. var. acephala (kale), var. botrytis (cauliflower), var. capitata (cabbage), var. gemmifera (Brussels sprouts), var. gongylodes (kohlrabi), var. italica (broccoli), var. sabauda (savoy cabbage), and other Brassica complex species (n = 9), Brassica incana Ten., Brassica villosa Biv., Brassica trichocarpa Brullo, Giusso & Ilardi, Brassica macrocarpa Guss., Brassica rupestris Raf. grown in the experimental fields of the Department of Agriculture, Food and Environment Department (Di3A) of the University of Catania in collaboration with other international and non-international partners of this project. The research was carried out over a three-year period and took into consideration the genotypes coming from the germplasm bank of (Di3A) and from other germplasm banks present in other parts of the world, subjecting them to both a phenotypic analysis, using bio- morphometric and the use of international descriptors, which to a genotypic analysis carried out in different laboratories. These investigations made it possible to select accessions / genotypes which, subjected to abiotic stress, indicated their resistance and / or sensitivity to these stresses. Subsequently, more in-depth research was carried out to study the mechanisms of resistance, using analytical, chemical-physical (HPLC) laboratory techniques, enzymatic analyses, molecular diagnoses (QTL, SSR), and transcriptomics. Among the genotypes identified, the local Sicilian cultivar of broccoli sprouting “Broccolo nero” was taken as a study model, which was used to produce new horticultural products, such as sprouts, micro-greens, baby-leaves, and they processed, such as juice. The juices extracted from these products showed a high nutraceutical value both in terms of phytochemical compounds contained and for the presence of miRNAs capable of controlling in vitro the spread of the carcinogenic cell lines taken into consideration.

Le colture che afferiscono alla famiglia delle Brassicaceae hanno un ruolo di fondamentale importanza sia dal punto di vista economico, poiché sono coltivate e conosciute in tutto il mondo, che dal punto di vista nutraceutico, perché presentano un profilo fitochimico ricco di antiossidanti, e pertanto vengono considerati dei veri e propri: ‘functional food’. Si stima che la popolazione mondiale raggiungerà i 9 miliardi entro il 2050 per cui l’umanità dovrà affrontare diverse sfide e trovare soluzioni a problematiche legate alla necessità di aumentare le produzioni di cibo e di energia dalle colture di almeno il 70% e dovrà farlo utilizzando un’agricoltura più sostenibile e senza trascurare le implicazioni connesse ai cambiamenti ambientali e climatici a cui stiamo già oggi assistendo. La presente tesi di dottorato di Ricerca in ‘Biotecnologie’ è rivolta allo studio di colture resilienti, efficienti e sostenibili coltivate secondo i metodi e le tecniche colturali dell’agricoltura biologica. Essa si inserisce nell’ambito del progetto europeo H2020 BRESOV (Breeding for Resilient, Efficient and Suistainable Organic Vegetable, G.A. n. 774244) per il quale sono state effettuate diverse prove sperimentali rivolte all’organic breeding and farming di tre diverse colture: Brassica oleracea L. (cavolo broccolo, cavolfiore, cavolo da foglia, cavolo cappuccio, cavolo rapa), Solanum lycopersicum L. (pomodoro) e Phaseolus vulgaris L. (fagiolino). In quest’ambito sono state effettuate delle prove sperimentali su alcune colture afferenti a Brassica oleracea L., in particolare su B. oleracea L. var. acephala (cavolo da foglia), var. botrytis (cavolfiore), var. capitata (cavolo cappuccio), var. gemmifera (cavoletti di Bruxelles), var. gongylodes (cavolo rapa), var. italica (cavolo broccolo), var. sabauda (cavolo verza), e altre Brassica complex species (n=9), Brassica incana Ten., Brassica villosa Biv., Brassica trichocarpa Brullo, Giusso & Ilardi, Brassica macrocarpa Guss., Brassica rupestris Raf. coltivate presso i campi sperimentali del Dipartimento di Agricoltura, Alimentazione e Ambiente dipartimento (Di3A) dell’Università di Catania in collaborazione con gli altri partner internazionali e non di tale progetto. La ricerca è stata svolta durante un triennio ed ha preso in considerazione i genotipi provenienti dalla banca del germoplasma del (Di3A) e da altre banche del germoplasma presenti in altre parti del mondo, sottoponendoli sia ad una analisi fenotipica, mediante tecniche di rilievo bio-morfometriche e l’utilizzo di descrittori internazionali, che ad una analisi genotipica effettuata in diversi laboratori. Queste indagini hanno permesso di selezionare accessioni/genotipi che, sottoposti a stress abiotici, hanno indicato la loro resistenza e/o sensibilità a tali stress. In seguito, sono state effettuate delle ricerche più approfondite per studiare i meccanismi di resistenza, avvalendosi di tecniche di laboratorio analitiche, chimico-fisiche (HPLC), analisi enzimatiche, diagnosi molecolari (QTL, SSR) e trascrittomica. Tra i genotipi individuati è stato preso quale modello di studio la cultivar locale siciliana di cavolo broccolo sprouting “Broccolo nero”, che è stata utilizzata per la produzione di nuovi prodotti orticoli, quali i germinelli, i micro-greens, i baby-leaves, ed i loro trasformati, quali il succo. I succhi estratti da questi prodotti hanno fatto evidenziare una elevata valenza nutraceutica sia in termini di composti fitochimici contenuti che per la presenza di miRNA capaci di controllare in vitro la diffusione delle linee cellulari cancerogene prese in considerazione.