RICERCA ITALIANA     

Studi ecofisiologici, salutistici e molecolari per la valorizzazione qualitativa e la salvaguardia ambientale nei sistemi viticoli nazionali

Università degli Studi di Torino

Abstract

Obiettivo generale del progetto è valorizzare le produzioni viticole ed enologiche nazionali mediante il miglioramento della qualità globale conseguibile nei sistemi vitivinicoli, ovvero individuando modalità di gestione del rapporto vitigno-ambiente atte a promuovere l’espressione organolettica e nutraceutica del prodotto e sostenere un appropriato uso agronomico delle risorse fondamentali dell’agro-sistema, quali luce, acqua, suolo, aria.
Il programma, basato su studi ecofisiologici, salutistici e molecolari si articolerà in tre linee di ricerca volte a valutare, in rapporto a fattori modificativi dell’agro-sistema, la qualità globale delle produzioni e dei sistemi viticoli:
STUDIO DELLA QUALITA’ CHIMICA ED ORGANOLETTICA, ovvero della variazione macro-compositiva e polifenolica delle uve e dei vini e dell’espressione genica dei principali enzimi attivatori della sintesi polifenolica in risposta a tecniche di gestione del vigneto modificanti l’attività ecofisiologica della pianta, in differenti condizioni ecologiche del territorio nazionale.
STUDIO DELLA QUALITA’ SALUTISTICA, ovvero ricerca di stilbeni ad azione antidegenerativa, ovvero a protezione anticancerosa e cardiovascolare, nei vini di diversa provenienza regionale, ottenuti da uve prodotte in differenti condizioni sperimentali, e indagine del trasporto dei composti polifenolici sia nelle cellule vegetali che nelle cellule e nell’organismo animale e umano.
STUDIO DELLA QUALITA’ AMBIENTALE, ovvero studio dello scambio dei flussi di carbonio, vapor acqueo ed energia tra terreno, vegetazione e atmosfera e relativo ‘scaling up’ del flusso carbonico e idrico da unità di superficie fogliare a intera chioma.
Lo svolgimento delle suddette linee di ricerca in cui si articola il programma è basata sulla stretta collaborazione e integrazione di competenze scientifiche tra UURR per realizzare le seguenti attività:
- scambio di materiale per lo studio degli stilbeni ad azione antidegenerativa e del trasporto polifenolico nella cellula vegetale e animale;
- organizzazione di una filiera di studi agronomico-fisiologico-medici su: vite - fattori ecofisiologici - attivazione genica della biosintesi polifenolica - cellula vegetale - vino - composti salutistici - cellula ed organismo animale;
- integrazione tra studi ecofisiologici a diverse scale d’indagine, ovvero foglia-pianta-vigneto, da realizzare nel corso di ‘campagne di misure collegiali’ (CMC) finalizzate allo scaling-up del flusso di CO₂, e del connesso flusso di H₂O, tra suolo, vegetazione e atmosfera. Le CMC saranno condotte presso un vigneto appositamente individuato in una zona dell’Italia centrale, ovvero nell’area di produzione del vino d.o.c.g. ‘Chianti’, e che verrà indicato come ‘unità sperimentale comune’ (USC).
La ricerca sarà condotta a partire da vitigni a bacca nera, allevati in pieno campo a controspalliera, e sarà ripetuta in due annate successive allo scopo di pervenire a più probanti risultati.
Tra i principali importanti fattori modificativi dell’agro-sistema viticolo agenti sull’attività ecofisiologica della pianta, esposizione radiativa, stress idrico e conduzione del suolo, data la riconosciuta importanza ai fini della qualità chimica, salutistica e ambientale delle produzioni vitivinicole, saranno analizzati da più Unità di Ricerca, in condizioni ecologicamente differenti. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Vittorino NOVELLO Università degli Studi di TORINO

Obiettivo del Programma di Ricerca

Obiettivo generale del progetto è valorizzare le produzioni viticole ed enologiche nazionali mediante il miglioramento della qualità globale conseguibile nei sistemi vitivinicoli, ovvero individuando modalità di gestione del rapporto vitigno-ambiente atte a promuovere l’espressione organolettica e nutraceutica del prodotto e sostenere un appropriato uso agronomico delle risorse fondamentali dell’agro-sistema quali luce, acqua, suolo, aria.
La nota importanza economica del settore vitivinicolo nell’economia agricola italiana, la necessità di potenziarne la competitività in ambito internazionale, la plasticità fisiologica della specie V. vinifera L. e la sua conseguente diffusione su tutto il territorio italiano motivano questo studio, conferiscono ad esso rilevante interesse nazionale e ne richiedono lo svolgimento in ambiti geografici e condizioni ecologiche differenti.
La definizione della qualità delle produzioni vitivinicole si è evoluta a comprendere, oltre alle caratteristiche chimiche ed organolettiche, anche proprietà salutistiche legate soprattutto alla ricchezza in composti polifenolici dell’uva e del vino, nonché aspetti ambientali connessi alla sostenibilità della coltivazione. Questi ultimi possono essere a loro volta ampliati a comprendere, oltre all’adozione di tecniche colturali ecologicamente compatibili, anche l’assorbimento di un importante ‘gas serra’, come l’anidride carbonica, da parte della vegetazione, sottolineando l’utilità della coltura anche a fini diversi da quelli agro-alimentari. La ricerca intende pertanto perseguire l’obiettivo generale articolando lo studio su: qualità chimica ed organolettica, ovvero variazione macro-compositiva e polifenolica di uve e vini ed analisi dell’espressione genica dei principali enzimi attivanti la sintesi polifenolica, in risposta a modificazioni dell’attività ecofisiologica della pianta; qualità salutistica, ovvero ricerca di specifici composti ad azione antidegenerativa nei vini ottenuti nelle differenti condizioni sperimentali e studio del trasporto dei composti polifenolici in cellule vegetali, animali e nell’organismo umano; qualità ambientale, ovvero scambio dei flussi di carbonio, vapor acqueo ed energia tra terreno, vegetazione e atmosfera, in differenti condizioni colturali, con valutazione dell’effetto di ‘sink carbonico’ e dell’evapotraspirazione della coltura in diversi periodi stagionali.
La presente ricerca intende inoltre pervenire ad un’ampia caratterizzazione della qualità della produzione vitivinicola mediante un approccio integrato allo studio delle variabili ecofisiologiche: concentrando, nel tempo e nello spazio, la capacità operativa di più unità di ricerca, s’intende effettuare campagne di misure collegiali per il rilievo congiunto di parametri alla scala di vigneto (bilancio energetico, scambi di energia e materia), intera pianta (scambi gassosi fogliari) e singolo organo (scambi gassosi per unità di superficie fogliare, stato idrico della pianta, parametri qualitativi del frutto). Da questo tipo d’approccio si attende l’acquisizione di nuovi strumenti interpretativi dei rapporti tra la coltura e il suo ambiente fisico, utili sia per individuare e descrivere relazioni di carattere generale tra vigneto e qualità dell’uva prodotta, sia per valutare concretamente il contributo del sistema viticolo come ‘sink’ di carbonio atmosferico.
La presente ricerca intende quindi organizzare una filiera di studi agronomici-ecofisiologici-medici e riunire più scale di indagine e molteplici competenze sia nell’ambito della stessa area scientifica che tra aree scientifiche diverse. Per conseguire gli obiettivi di studio, anche istituzioni di ricerca nazionali ed internazionali non universitarie, altamente qualificate nei settori delle scienze chimiche e fisiche applicate all’agricoltura, nonché delle scienze mediche, sono chiamate a far parte delle Unità di Ricerca (UURR), allo scopo di fornire contributi scientifici interdisciplinari alla valutazione della qualità globale dei sistemi viticoli. <<<

Risultati parziali attesi

- Individuazione di modalità di gestione ecofisiologica del rapporto vitigno-ambiente atte a sostenere un appropriato uso delle risorse fondamentali dell’agrosistema, luce, acqua, suolo, ed a promuovere il miglioramento della qualità organolettica d <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Numerosi parametri concorrono alla valutazione del potenziale qualitativo globale delle uve. Accanto al tenore glucidico e al quadro acidico, assume particolare importanza la componente polifenolica, responsabile di fondamentali caratteristiche qualitative dei vini, come il colore e la sua stabilità (antociani totali, antocianine), il gusto astringente (catechine) e amaro (flavonoli); essa è inoltre legata a specifiche proprietà salutistiche (Jansen et al., 1998; Mesquelier, 1987; Macheix et al., 1990; Robicheau, Noble, 1990; Rice Evans et al., 1998; Jang et al., 1997; Gawel, 1998).
Per ciascun genotipo, la componente polifenolica è nota variare con l’ambiente pedologico (Jakson, Lombart, 1993), crescere al ridursi del livello produttivo (Amati et al., 1997) e all’aumentare dello stress idrico soprattutto se applicato in post-invaiatura (Hepner et al., 1985). Crescenti valori d’esposizione radiativa tendono a migliorare la composizione polifenolica del frutto e l’assimilazione carbonica fogliare (Intrieri et al., 1995), contrariamente ad eccessi termici (Bergqvist et al., 2001). Temperature eccedenti 35-37 °C stimolano la respirazione dell’acido malico (Lakso, Kliewer, 1978) e deprimono traslocazione glucidica e accumulo antocianico nella bacca (Kliewer, 1977; Sepulveda et al., 1986). La temperatura influisce sullo sviluppo antocianico sia per via diretta, agendo sull’attività di enzimi come la fenilalanina-ammonio liasi (PAL) e la calcone sintasi, fotoinducibili (Roubelakis-Angelakis, Kliewer, 1986; Dokoozlian, Kliewer, 1996) e con intervallo ottimale 17-26 °C (Pirie, 1977), che per via indiretta, agendo sulla sintesi degli scheletri di carbonio (Mancinelli, 1985). La temperatura di bacche in piena esposizione solare può superare di circa 10 °C quella di bacche ombreggiate (Bergqvist et al., 2001).
L’effetto della luce sulla composizione dei frutti dipende anche dalle variazioni termiche ad essa connesse. L’ombreggiamento può causare effetti diversi da quelli attesi a seguito della riduzione della temperatura dei tessuti (Crippen, Morrison, 1986; Reynolds et al., 1986; Morrison, Noble, 1990; Smart et al., 1990; Percival et al., 1994; Hummell, Ferree, 1998). L’intensità luminosa e la temperatura hanno quindi grande importanza nel determinare la composizione e la qualità dell’uva; scarse sono, tuttavia, le informazioni relative al comportamento delle singole antocianine in funzione di questi fattori che possono influenzare in maniera significativa l’estraibilità antocianinica e, successivamente, la stabilità del colore del vino.
Il deficit idrico è considerato uno dei più efficaci fattori colturali regolanti la qualità delle uve da vino. Moderati livelli di deficit idrico sono ritenuti essenziali nel migliorare la qualità finale del prodotto, sia attraverso il contenimento della produttività (Poni et al., 1994), che mediante il controllo dei meccanismi di ripartizione delle risorse metaboliche tra i sink vegetativi e quelli riproduttivi (Barbagallo et al., 1996), a favore dell'accumulo di assimilati nella bacca. Possono inoltre influire sulla formazione di precursori dei composti fenolici, nonché sulle caratteristiche della buccia e quindi sull’estraibilità fenolica, in senso positivo o negativo a seconda del composto, dell’epoca e dell’intensità dello stress (Kennedy et al., 2002; Ojeda et al., 2002). Stress moderati incrementano l’accumulo di composti ‘nobili’ nella bacca (Carbonneau, Casteran, 1986), mentre un blocco dell’attività fisiologica sfavorirsce la polimerizzazione tanninica aumentando l’astringenza. Peterlunger e coll. (2002) hanno evidenziato come lo stress idrico incrementi l’accumulo polifenolico riducendone però l’estraibilità, probabilmente a causa di un ispessimento della parete cellulare.
Sebbene livelli di deficit idrico, anche alquanto severi, siano generalmente ritenuti utili ai fini della qualità del prodotto, tale assunto può essere contraddetto nel caso in cui si associno altri stress ambientali, quali l’eccesso termico e luminoso. Una parte considerevole della viticoltura mediterranea è localizzata in aree caratterizzate da piovosità scarsa e concentrata nel periodo invernale e da deficit idrico esteso alla maggior parte della stagione vegetativa (de Palma et al., 2000). In tali ambienti, numerose sperimentazioni (Esteban et al. 1999; Nadal et al., 1995) concordano nel riportare decisi miglioramenti nei parametri qualitativi in vigneti sottoposti ad irrigazione.
La salvaguardia delle risorse ambientali ‘acqua’ ed ‘aria’, cui gli agrosistemi possono concorrere con una razionale gestione irrigua e in quanto sink di carbonio atmosferico, è raccomandata in ambito europeo insieme alla salvaguardia della risorsa ‘suolo’ (Commissione Europea, 1999). E’ infatti sempre più riconosciuto il ruolo delle componenti della biosfera terrestre nei cambiamenti climatici, includendo gli effetti di feedback sul clima, sulla composizione dell’atmosfera, sul bilancio dei gas-serra, CO₂ in particolare (Brown, Arnold, 1998; Pielke et al., 1998; Betts, 2001).
Una maggiore comprensione delle relazioni che esistono tra i cambiamenti globali e la variabilità del bilancio del carbonio richiede l'acquisizione di dati sull'ordine di grandezza delle fluttuazioni stagionali e interannuali dei flussi di materia ed energia (Baldocchi et al., 1996). Sebbene l'assorbimento carbonico sia indicato dal protocollo di Kyoto come fattore rilevante per la sostenibilità ambientale, ancora carenti sono le conoscenze sui sistemi agrari, normalmente considerati per il ruolo produttivo molto più che per quello ecologico (Georgiadis et al., 1993; Rossi et al., 1996 a, b; Daamena et al., 1999; Spano et al., 2000). In particolare, non sono riscontrabili in letteratura informazioni sui flussi di massa ed energia fra le superfici frutticole e viticole e l'atmosfera, sullo scambio annuale netto del carbonio e sulle sue variazioni stagionali nei sistemi arborei e viticoli.
Un aspetto fondamentale del monitoraggio degli scambi di massa e d’energia riguarda la scelta della metodologia di misura e della strumentazione impiegata. La tecnica Eddy Covariance consente una determinazione diretta dei flussi verso l'atmosfera e in direzione della superficie (Wolfsy et al., 1993), ma evidenzia alcune limitazioni: l’elevato costo e la relativa fragilità delle attrezzature, le caratteristiche micrometeorologiche richieste ai siti di misura e le correzioni necessarie in post-elaborazione per ottenere dati affidabili (Foken, Wichura, 1996). Un nuovo metodo, basato sulla misura a elevata frequenza degli scalari (Surface Renewal), ha mostrato di poter fornire stime dei flussi sufficientemente affidabili in qualsiasi condizione atmosferica (Spano et al., 1994; Paw U et al., 1995; Snyder et al., 1996; Duce et al., 1997; Spano et al., 1997). Il confronto tra metodi d’indagine è importante per il progresso in questo tipo di studi.
Le diverse modalità di gestione agronomica del suolo possono influenzare la fisiologia della pianta modificando il ritmo e l’entità dello sviluppo dei germogli e la qualità della bacca. Lo sviluppo vegetativo interferisce con il metabolismo glucidico, acidico e polifenolico sia direttamente, variando il rapporto foglie:frutti e quindi l’entità dell’assimilazione carbonica e la distribuzione dei metaboliti, sia indirettamente, modificando il microclima della chioma. Una limitazione della competizione tra grappoli può incrementarne l’accumulo glucidico (Iacono et al., 1991) e polifenolico (Guidoni et al., 2002; Guidoni, Schubert, 2001; Looney, 1981; Dokoozlian, Hirschfelt, 1995); talvolta, pur mancando significative alterazioni compositive del mosto, si osservano positive variazioni organolettiche nei vini (Ough, Nagaoka, 1984).
L’inerbimento è ritenuto la modalità di gestione del suolo più atta alla protezione di quest’ultimo dal degrado fisico-chimico-biologico: riduce l’erosione, migliora il tenore in sostanza organica e le caratteristiche di struttura, porosità, infiltrazione idrica e attività biologica, contrasta il dilavamento azotato e la compattazione, trasloca in profondità gli elementi minerali poco mobili (Scalabrelli et al., 1999). Accanto a questi effetti, il cotico erboso compete in senso idrico e nutrizionale con la coltura (Maigre, 1996, 1999; Vasconcelos et al., 2000). La competizione idrica e azotata può limitare gli eccessi di vigore vegetativo, riducendo fertilità, produttività, massa del grappolo e della bacca, incrementando così il potenziale qualitativo enologico (Scalabrelli et al., 1999). Tuttavia, un’eccessiva riduzione del tenore azotato dei mosti può rendere lunghe e incomplete le fermentazioni, inducendo note amare nei vini (Murisier et al., 1999). La riduzione del vigore modifica il microclima della chioma e tutte le sue implicazioni qualitative (de Palma, Frabboni, 2003), sebbene questo fattore spesso non venga adeguatamente considerato. La competizione idrica del cotico erboso è difficilmente modulabile, soprattutto in ambienti caldo-aridi; specifici studi si richiedono per valutarne gli effetti sull’efficienza ecofisiologica e produttiva del vigneto e sulle variazioni macro-compositive e polifenoliche del prodotto (de Palma, Novello, 2000).
I geni che codificano per gli enzimi coinvolti nella via biosintetica dei polifenoli sono stati studiati da vari autori sia in vite (Sparvoli et al., 1994; Boss et al., 1996; Ford et al., 1998; Boss, Davies, 2001; Gollop et al., 2001, Kobayashi et al., 2001; Gollop et al., 2002; Goto-Yamamoto et al., 2002; Kobayashi et al., 2002) che in altre piante (Abrahams et al., 2003; Ray et al., 2003; Robbins et al., 2003). Tuttavia, non è ancora chiarita in modo esaustivo quale sia l’influenza esercitata dall’ambiente e dalle tecniche colturali sulla loro espressione, aspetto di fondamentale importanza per la comprensione delle relazioni tra qualità del genotipo, ambiente e condizioni colturali.
Tannini, resveratroli e antociani, sono ritenuti attivi antiossidanti della frazione lipidica, sia in vitro che in vivo (Tamura, Yamagami, 1994; Castino, 1996; Teissedre et al., 1996); nel vino, l’attività del complesso polifenolico appare notevolmente più elevata della somma dell’attività dei singoli composti (Frankel et al., 1995).
Le antocianine, sostanze fotoprotettrici e allelopatiche, hanno proprietà nutrizionale, antiossidante, antinfiammatoria, estrogenica, anti-tumorale, preventiva di malattie cardiovascolari e della aterogenesi. Esse vengono principalmente riscontrate a livello dei tessuti tegumentali, quali cellule epidermiche e peli fogliari (Harborne et al., 2000). A livello cellulare, esse sono concentrate principalmente nel vacuolo (Winkel-Shirley, 2001), oppure sono traslocate verso la parete cellulare (Markham et al., 2000, 2001). S’ipotizza che il loro trasporto all’interno del vacuolo avvenga mediante tre modalità differenti: un antiporto con H+ (Klein et al., 1996), che utilizza il potenziale elettrochimico generato dalla attività di H+-ATPasi e H+-PPiasi; un cambiamento conformazionale, dopo protonazione e accumulo all’interno del vacuolo (Matern et al., 1983); un trasporto ATP-dipendente, mediato dal trasportatore del tipo ABC, della forma coniugata con glutatione, per attività di una glutatione-S-transferasi (Rea et al., 1998). Un ulteriore meccanismo è stato recentemente suggerito da Debeaujon e coll. (2001) che hanno dimostrato la presenza di un trasportatore di precursori di proantocianidine in tessuti epidermici di semi di Arabidopsis.
Anche nell’ambito del metabolismo umano è stato di recente approfondito lo studio dell’assorbimento gastrico delle antocianine (Passamonti et al., 2002). La bilitranslocasi (BLT), trasportatore di anioni organici localizzato sul plasmalemma di epatociti e cellule epiteliali della mucosa gastrica (Sottocasa et al., 1989), è inibita competitivamente da antocianine, sia come agliconi, che come loro derivati mono- e diglicosilati. Questa proteina sembra essere coinvolta nell’assorbimento gastrico delle antocianine (Passamonti et al., 2003). Il trasportatore è presente anche nell’epitelio della mucosa gastrica (Battiston et al., 1999; Passamonti et al., 2000) e quindi potrebbe essere coinvolto nel trasporto di substrati d’interesse nutrizionale. A conferma, sono stati identificati vari tipi di polifenoli vegetali tra i suoi substrati (Passamonti et al., 2002). Da qui la possibilità di un nuovo approccio allo studio della fisiologia gastrica. In particolare, è possibile che a questo livello abbia luogo l’assorbimento di micronutrienti (acido nicotinico) (Passamonti et al., 2000) e polifenoli (Passamonti et al., 2003) presenti nella dieta. La via gastrica di assorbimento di polifenoli vegetali è interessante, poiché consentirebbe a questi composti di entrare nella circolazione sanguigna e penetrare nel parenchima epatico prima dell'assorbimento di altri componenti di un pasto.
E’ stato ipotizzato che un trasportatore simile alla BLT possa essere presente anche nelle cellule vegetali, dove potrebbe operare il trasporto di membrana di antocianine. Studi cinetici hanno evidenziato che esiste analogie tra la BLT ed il trasportatore vegetale, sebbene questo denoti una differente affinità per i vari substrati. In particolare sono stati individuati almeno due siti di legame tra la cianidina 3-glucoside ed il trasportatore: uno a bassa affinità a livello di poro, l’altro ad alta affinità localizzato sulla superficie esterna della proteina, ove probabilmente è coinvolto nella fase cruciale di riconoscimento del substrato (Passamonti et al., 2004).
La positiva influenza dei polifenoli sulla salute umana risiede oltre che nell’attività antiossidante, anche in quella chemiopreventiva, antineoplastica, antiaggregante piastrinica, regolatrice della risposta immunitaria, e preventiva del danno al DNA (Fauconneau, Waffo-Teguo, 1997). Tra gli stilbeni, non solo il resveratrolo esplica gli effetti positivi citati, ma tutta la famiglia dei composti (cis- e tran-resveratrolo, cis- e trans-resveratrolo-3-O-glucoside, piceatannolo, pterostilbene, rapontigenina) partecipa all'attività di limitazione dei radicali liberi e di protezione vascolare. La proprietà anti-proliferativa del resveratrolo è dovuta principalmente all'inibizione della DNA polimerasi e, in parte, all'inibizione della cicloossigenasi (COX). Un ulteriore bersaglio dell'azione anti-proliferativa del resveratrolo è la ribonucleotide reduttasi, enzima deputato alla sintesi di desossiribonucleotidi necessari per la costruzione del DNA durante la fase S del ciclo cellulare (Frèmont, 2002). Inoltre, il resveratrolo possiede un meccanismo pro-apoptotico, ovvero la capacità di attivare i cosiddetti death receptor, recettori di membrana in grado di innescare il processo apoptotico. Il resveratrolo e altri stilbeni naturali analoghi possono innescare l'apoptosi anche attraverso altre vie molecolari, ad esempio modulando le proteine appartenenti alla famiglia Bcl-2 o inibendo il fattore anti-apoptotico NF-kB. Il resveratrolo interferisce inoltre con la cascata biochimica innescata dalla proteina p53; p53 è un gene onco-soppressore ed è funzionalmente alterato nel 70 % dei tumori umani: può agire da fattore di trascrizione e le sue funzioni più caratterizzate e note sono arresto della crescita cellulare ed apoptosi. Esistono dei modulatori fisiologici positivi (ERKs e p38) e negativi (MDM2) dell'attività di p53. Il trans-resveratrolo è in grado di attivare le chinasi ERKs e p38 inducendo in tal modo l'apoptosi mediata da p53 (Fauconneau et al., 1997; Frèmont, 2002). <<<