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SELCE – SELvatici CEreali: il futuro nella risposta delle piante ai cambiamenti climatici

SELCE – SELvatici CEreali: il futuro nella risposta delle piante ai cambiamenti climatici

Project funded by Cassa di Risparmio di Modena: Sime n.2015.0033

Coordinator: Prof. Anna Maria Mercuri

Participants: PhD student Rita Fornaciari, Dr. Assunta Florenzano, Prof. Marta Mazzanti, Dr. Laura Arru, Dr. Giovanna Bosi, Dr. Paola Torri, Dr. Rossella Rinaldi

 

   

English version

SELCE project is part of an interdisciplinary collaboration with international connotation that aims to build a bridge between biological and anthropological studies. The lab of Modena shield a unique collection of archaeobotanical remains, especially composed of wild cereals coming from excavations in arid areas. From more than 25 years the lab study plants from African and Mediterranean sites, collaborating with international institutions (eg. University Sapienza of Rome, MAE and University of Bristol, University of Huddersfield, National Geographic and American authorities). SELCE will allow a deepen study of the morphological and genetic diversity of these wild cereals, and a better knowledge of their adaptation to climate changes. The study of pollen and seeds/fruits found in archaeological sites will be useful both to understand which species were selected by hunter-gatherers and which ones survived during the Holocene climate changes. This kind of studies are nowadays the focus of FAO research projects, and have repercussions in the agro-food sector. SELCE will carry out: 1) the morphometric study of spikelets of wild cereals from archaeological records; 2) the extraction of ancient DNA from the spikelets and its study by means of the DNA barcoding and the Next Generation Sequencing (NGS) approaches; 3) the pollen analysis; 4) the establishment of a network with specialized foreign groups.

Thanks to the Italian-Libyan Archaeological Mission in the Acacus and Messak, Sapienza University of Rome and Department of Archaeology, Tripoli, directed by Savino di Lernia.

 

Italian version

Il progetto SELCE fa parte di un’ampia collaborazione interdisciplinare con forte connotazione internazionale che si prefigge di lanciare un ponte tra studi biologici e antropologici. Grazie alla presenza a Modena di una collezione unica di reperti archeobotanici, specialmente cereali selvatici provenienti da scavi in zone aride, verrà sviluppata una ricerca di enorme interesse riguardante la diversità morfo-genetica e l’adattamento dei cereali selvatici ai cambiamenti climatici.

SELCE approfondirà la conoscenza dell’evoluzione delle piante oggi coltivate e sull’adattabilità di specie più rustiche ai cambiamenti climatici. Si prefigge di ottenere risultati innovativi su due piani: 1) generale: giungere a una definizione moderna di Archeobotanica che aggiunga ai metodi analitici morfologici quelli molecolari (specialmente DNA antico e acidi grassi); 2) specifico: l’analisi di migliaia di cariossidi sub-fossili consentirà di ottenere dettagli morfo-genetici sui cereali selvatici usati come alimento dalle civiltà preistoriche.

Polline e semi/frutti provenienti da siti archeologici saranno utili a comprendere sia quali specie fossero selezionate dai cacciatori-raccoglitori, sia quali abbiano mostrato maggiore resistenza sopravvivendo ai cambiamenti climatici e alla desertificazione olocenica. Studi come questo sono al centro dei progetti di ricerca della FAO (che titola nel suo sito: ‘Genetic diversity: a hidden tool in coping with climate change’) e hanno ricadute nel settore agro-alimentare. Il Lab. di Modena, unico in Italia, da oltre 25 anni svolge ricerche su piante provenienti da siti africani e mediterranei con collaborazioni di alto rilievo internazionale (es. Università Sapienza di Roma, MAE e Università di Bristol, Università di Huddersfield, National Geographic ed enti americani).

Le azioni previste da SELCE sono: 1) studio morfometrico di cariossidi da materiale archeologico (datato ca. 10000-3000 BP); 2) estrazione di DNA antico da cariossidi e studio per mezzo del DNA barcoding e del Next Generation Sequencing (NGS); 3) analisi polliniche finalizzate a studi paleoclimatici nel Mediterraneo e nel Sahara; 4) cooperazione in rete con gruppi stranieri specializzati in geoarcheologia, entomologia e archeometria.

Si ringrazia la Missione Archeologica Italo-Libica in Acacus e Messak, diretta da Savino di Lernia - Università Sapienza di Roma.

 

 

SELCE Report

Il progetto SELCE – SELvatici CEreali: il futuro nella risposta delle piante ai cambiamenti climatici , finanziato dalla Fondazione Cassa di Risparmio di Modena, ha contribuito significativamente alle ricerche condotte sui cambiamenti climatici in area sahariana e mediterranea, grazie allo studio della diversità morfo-genetica dei cereali selvatici rinvenuti in siti archeologici del Sahara centrale (Libia sud-occidentale). I reperti vegetali sono stati portati alla luce durante la Missione Archeologica Italo-Libica in Acacus e Messak dell’Università La Sapienza di Roma (2003-2006), diretta dal prof. Savino di Lernia. I risultati mostrano che i cereali selvatici oggetto di studio hanno attraversato le oscillazioni climatiche dell’Olocene Iniziale e Medio, grazie alla loro rusticità ed ai “rifugi” creati dal contesto montuoso in cui si trovano i siti archeologici, in sinergia con l’azione dell’uomo. Questi dati ben si accordano e sono coerenti con la rete di ricerche interdisciplinari (geo-archeologiche, chimiche, molecolari, antropologiche, entomologiche) condotte nell’area da decenni, grazie anche alla collaborazione con Università internazionali. Inoltre è importante sottolineare che l’area, patrimonio UNESCO dal 1985, è attualmente non accessibile a causa della situazione politica e militare della nazione libica.

 

Link sito Università La Sapienza di Roma – Missione archeologica nel Sahara:

http://www.antichita.uniroma1.it/node/6048

http://www.acacus.org/

 

 

Il sito archeologico di Takarkori (Libia sud-occidentale; Olocene Iniziale e Medio), scavato dal 2003 al 2006 dalla Missione Italo-Libica diretta dal prof. Savino di Lernia (Università Sapienza di Roma).

 

Il progetto SELCE studia spighette, cariossidi e granuli pollinici di cereali selvatici (in particolare appartenenti ai generi Echinochloa, Urochloa, Panicum, Sorghum, Pennisetum, Brachiaria, Setaria, Dactyloctenium) che si sono conservati grazie alle strutture di rivestimento che naturalmente proteggono seme e polline, gli elementi della pianta atti alla diffusione della specie. A ciò si aggiungono il processo di disidratazione, avvenuto grazie all’ambiente arido, e il particolare strato di deposito, che hanno permesso il preservarsi dei macroresti. I reperti vegetali sono stati raccolti grazie a metodi di campionamento determinati dalla partecipazione dell’archeobotanico, Prof. Anna Maria Mercuri, alla campagna di scavo e sono attualmente conservati presso il Laboratorio di Palinologia e Paleobotanica dell’Università di Modena e Reggio Emilia.

 

Accumuli di semi/frutti trovati nel sito archeologico di Takarkori, composti principalmente da cereali selvatici. Foto della Missione Italo-Libica (Università Sapienza di Roma).

 

I reperti archeobotanici, datati c. 10.000-3.000 anni dal presente (BP), hanno permesso di osservare le risposte delle piante che hanno attraversato le variazioni ambientali avvenute su lunga scala temporale. In parallelo, ciò ha permesso lo studio del comportamento umano (raccolta, coltivazione, alimentazione), in continua co-evoluzione con le piante stesse e l’ambiente. Il progetto è stato fondamentale per investigare quali specie fossero selezionate dai cacciatori-raccoglitori che abitavano il Sahara centrale durante l’Olocene Iniziale e Medio, una fase interessata da forti oscillazioni climatiche e dal passaggio da un tipo di sussistenza basata su caccia e raccolta ad una sussistenza basata sulla produzione del cibo. SELCE ha inoltre permesso l’indagine delle specie dotate di alta capacità di risposta al riscaldamento globale. Attualmente la nostra società è in evidente difficoltà di fronte alla variazione del clima, per questo lo studio di nuove fonti di sostentamento (come ad esempio i cereali selvatici, rustici ed adattati agli ambienti aridi) e una gestione più articolata delle risorse naturali hanno l’importante ruolo di suggerire alle istituzioni come affrontare i cambiamenti ambientali.

Il progetto ha previsto:

  1. l’organizzazione e l’archiviazione del materiale botanico (semi/frutti) campionato nei siti archeologici;
  2. l’identificazione morfologica di dettaglio delle specie di cereali selvatici presenti nei siti campionati (Sahara centrale);
  3. l’analisi morfometrica di circa 1.800 spighette di cereali selvatici da materiale archeologico;
  4. la raccolta di materiale fotografico;
  5. l’elaborazione grafica e statistica dei risultati;
  6. la datazione dei campioni al radiocarbonio;
  7. l’estrazione di DNA antico dalle spighette utilizzando e ottimizzando diversi protocolli; l’amplificazione e il sequenziamento di tale DNA, applicando tecniche di DNA barcoding e di Next Generation Sequencing (NGS);
  8. l’analisi bioinformatica delle sequenze di DNA ottenute, con avvio dell’indagine delle relazioni filogenetiche tra le specie antiche e moderne;
  9. il confronto dei dati ottenuti con i cambiamenti climatici emersi da studi pollinici di serie effettuate in area mediterranea e sahariana;
  10. la cooperazione in rete con gruppi stranieri.

 

Il progetto SELCE ha permesso l’approfondimento delle conoscenze riguardanti l’evoluzione dei cereali, così come l’adattabilità di alcune specie ai cambiamenti climatici.

Circa 1.800 spighette (in particolare appartenenti alle specie di importanza agro-alimentare: Echinochloa colona, Panicum laetum, Sorghum bicolor subsp. verticilliflorum) rinvenute nei siti archeologici sahariani sono state sottoposte ad analisi morfometrica. Ogni spighetta è stata fotografata e misurata secondo i caratteri diagnostici delle specie analizzate, grazie all’utilizzo di una fotocamera associata allo stereomicroscopio. Lo studio ha mostrato le variazioni morfologiche e biometriche intercorse nei circa 7.000 di utilizzo dei siti sahariani, facendo emergere un differente uso dei cereali nel corso del tempo. La cronologia dei siti è stata confermata dalle datazioni al radiocarbonio effettuate direttamente sulle spighette. Inoltre è stato dato un contributo importante allo studio del paleoclima, poiché è stata evidenziata una differente presenza di queste piante nel corso del tempo. Il confronto con i dati pollinici ha confermato per questa area (Libia sud-occidentale) l’alternanza di fasi più umide e più secche, fino all’affermarsi della fase iperarida attuale.

L’analisi molecolare (DNA antico) ha testimoniato la presenza di molecole organiche ancora preservate nei macroreperti. Questo dato è altamente significativo, poiché oltre all’età dei campioni, un fattore che incide gravemente sulla preservazione degli acidi nucleici, e in generale delle molecole organiche, è il prelievo dal sito che ha conservato per millenni il reperto stesso. L’analisi del DNA antico si è concentrata sui generi Panicum e Sorghum, motivata dalla loro importanza economica e soprattutto come risorsa alimentare di sussistenza adottata nelle aree sub tropicali in passato e nel presente. Il progetto ha consentito la determinazione tassonomica molecolare della specie Panicum laetum, confermando l’identificazione ottenuta su base morfologica e permettendo il confronto filogenetico con le specie moderne.

 

Albero filogenetico che mostra le relazioni tra il DNA antico estratto e le specie di Panicum e altri cereali moderni. Il nostro studio conferma l’identificazione tassonomica delle spighette antiche di P. laetum.

 

Studi come questo, che indagano l’adattamento delle piante alla siccità attraverso lo studio del loro genoma, sono al centro della ricerca di organizzazioni internazionali e hanno sicure ricadute nel settore agro-alimentare. A maggior ragione, lo studio dei progenitori selvatici delle piante oggi coltivate è fondamentale per il recupero di geni utili al fine del miglioramento genetico, per aumentarne produttività e resistenza agli stress ambientali.

 

Link alle linee di ricerca della FAO:

Commission on Genetic Resources for Food and Agriculture - http://www.fao.org/nr/cgrfa/en/

Genetic diversity a hidden tool in coping with climate change - http://www.fao.org/news/story/en/item/275041/icode/

 

Il progetto SELCE ha portato risultati a diversi livelli interdisciplinari, raggiungendo l’obiettivo di studiare le Panicoidee di origine africana, tra le quali hanno massima importanza agro-alimentare Echinochloa, Panicum e Sorghum.

I risultati ottenuti sono:

  1. l’identificazione morfologica di semi/frutti subfossili unici, attualmente conservati al Lab. di Palonologia e Paleobotanica di Modena (concessioni in area UNESCO), con cronologie ottenute su base radiometrica e stratigrafica;
  2. il miglioramento del know-how su tecniche analitiche mediante analisi di immagine, elaborazioni statistiche, estrazione e amplificazione di DNA antico, sequenziamento di regioni barcode (DNA barcoding) e metodiche di nuova generazione (Next Generation Sequencing). Lo studio morfometrico è stato condotto su circa 1.800 reperti archeobotanici, il DNA antico ha previsto una fase di messa a punto del protocollo di estrazione e successivamente l’amplificazione e il sequenziamento del DNA;
  3. l’ottenimento di nuovi dati sui cambiamenti climatici in area mediterranea e sahariana, grazie allo studio delle modifiche morfologiche dei campioni;
  4. l’integrazione con altri esperti (Università La Sapienza di Roma, Università Statale di Milano, Università di Huddersfield) per correlazioni geo-bio-stratigrafiche e connessione dei nostri dati con i dati ottenuti in ricerche condotte sugli acidi grassi, le faune vertebrate e le serie entomologiche.

 

I risultati molecolari più significativi sono stati pubblicati su Plant Biosystems, una rivista con Impact Factor che si occupa di aspetti riguardanti la Biologia vegetale. I risultati morfometrici sono in corso di pubblicazione su un libro edito da Springer, che raccoglie i contributi presentati a Modena all’8° International Workshop for African Archaeobotany (IWAA).

SELCE ha promosso la ricerca e l’approfondimento di importanti aspetti riguardanti l’utilizzo dei cereali selvatici da parte dei gruppi umani che abitavano l’area sahariana durante l’Olocene. I risultati di questa ricerca sono stati sottoposti ad una delle più importanti riviste del settore, Nature Plants, a nome Mercuri et al. e in cooperazione con i partner del progetto. Per motivi di riservatezza non ci è possibile divulgarne il titolo, in quanto il lavoro è attualmente in fase di revisione.

I risultati del progetto sono stati inoltre presentati a tre congressi internazionali (Medines - Tarragona 2016, IWGP - Parigi 2016, SILAE - Modena 2016) e ad un workshop a Bruxelles.

 

SELCE ha rappresentato per il lab di Modena una tappa fondamentale nel consolidamento del rapporto scientifico con l’Università La Sapienza di Roma (Prof. Savino di Lernia), l’Università Statale di Milano (Prof. Mauro Cremaschi) e l’Università di Huddersfield (Prof. Stefano Vanin).

 

Articoli in exteso:

Fornaciari R., Fornaciari S., Francia E., Mercuri A. M., Arru L. (2016) - Panicum spikelets from the Early Holocene Takarkori rockshelter (SW Libya): Archaeo-molecular and-botanical investigations. Plant Biosystems-An International Journal Dealing with all Aspects of Plant Biology, 1-13.

Fornaciari R., Arru L., Terenziani R., Mercuri A.M. The role of morphometry to discover changes in the spikelet shape of wild cereals: the case study of Takarkori (Holocene, central Sahara, SW Libya). In: Mercuri A.M., D’Andrea C., Fornaciari R., Hoehn A. (eds.) Plants and People in the African Past: Progress in African Archaeobotany- Springer.

Parte della ricerca condotta grazie al finanziamento del progetto SELCE è stata pubblicata dalla rivista scientifica Plant Biosystems.

 

Poster presentati a congressi internazionali:

Fornaciari R., Arru L., Mercuri A.M., di Lernia S., 2016.  Multidisciplinary analysis of Early – Mid Holocene wild cereal remains from central Sahara (SW Libya). In: Javier Fernández-López de Pablo, Samantha Elsie Jones, Francesc Burjachs (Eds.), Books of abstracts of MEDINES 2016 Conference, Tarragona, pp. 18-19.

Fornaciari R., Arru L., Bosi G., Rinaldi R., Mercuri A.M., di Lernia S., 2016. Multidisciplinary analysis of wild cereals from the Holocene archaeological site of Takarkori (central Sahara). 17th Conference of the International Work Group for Palaeoethnobotany (IWGP, Paris 4-9 July 2016), pp. 52-53.

Fornaciari R., Arru L., Mercuri A.M., di Lernia S., 2016. Multidisciplinary investigation on Early – Mid Holocene wild cereals found at Takarkori (central Sahara). XXV SILAE Congress: Italo-Latinamerican Congress of Ethnomedicine, Modena, Italy. Pharmacologyonline Supplementary Issue, 2016, 1, pp 1-263 ISSN: 1827-8620.

 

I poster presentati ai congressi internazionali: Medines (2016 -Tarragona, Spain), IWGP (2016 - Paris, France), SILAE (2016 - Modena, Italy).