pubblicato in inglese su Annale #49 – Laboratorio Expo. The Many Faces of Sustainability
a cura di Salvatore Veca – Fondazione Feltrinell
traduzione a cura di Maria Pia Corpaci
I problemi globali più frequentemente dibattuti oggi sono la povertà, la fame e la malnutrizione, l’acqua, la biodiversità in generale e, in particolare, quella agricola, come anche il cambiamento climatico. Problemi che sono frequentemente discussi separatamente anche se sono strettamente interdipendenti. Non verranno discussi qui in dettaglio come già fatto da Dendena et al. (2015). Pertanto menzionerò solo qualche aspetto di questi problemi tra quelli spesso meno affrontati. Per esempio, nel caso del cambiamento climatico, l’aspetto dell’incertezza relativa ai cambiamenti attesi non viene menzionata abbastanza spesso:
Da una decina di anni diversi progetti di ricerca europei e nazionali hanno avuto come obiettivo la produzione di varietà per l’agricoltura biologica con un alto livello di diversità. Tutti centrati sullo studio di piante che non sono più tecnicamente varietà ma popolazioni o materiale eterogeneo, come lo ha definito la Commissione Europea nel 2014 aprendo la strada alla commercializzazione delle loro sementi
Abstract
The genetic improvement of cereals for organic farming: heterogeneous material
The lack of suitable varieties for low-input and organic agricultural systems, rose to the fore in the early 2000s. In their paper Developments in Breeding Cereals for Organic Agriculture, Wolfe et al. (2008) highlight the importance of exploiting intra-varietal genetic diversity, as well as specific adaptation to these agricultural systems, as opposed to uniform cultivars, bred for wide adaptation. In many European countries, particularly in northern Europe, several research projects have focused on generating varieties and populations appropriate for organic agriculture: these experiences have converged in multi-partner European projects (SOLIBAM, COBRA, LIFE-Semente Partecipata, DIVERSIFOOD), which have seed the participation of Italian organisations and institutions. The leitmotiv in all these projects has been genetically diverse plant material, mainly Cross Composite Populations (CCP), which are not compliant with the Distinct Uniform and Stable (DUS) requirements of seed marketing regulations. With implementing decision 2014/150, the EU Commission paved the way to the experimental marketing of these “heterogeneous materials”. In this paper, we describe the development of organic breeding in Italy and Europe, with particular attention to the research on CCPs and populations carried out by Rete Semi Rurali and University of Florence.
La mancanza di varietà di cereali adatte per i sistemi agricoli biologici o a basso input ha cominciato ad essere portata all’attenzione nei primi anni 2000. È del 2008 l’articolo Developments in Breeding cereals for organic agriculture (Wolfe et al., 2008) in cui gli autori sottolineano l’importanza non solo di avere varietà specificatamente prodotte per questi sistemi agricoli, ma anche di avere varietà con una maggiore diversità, non più uniformi. In diversi paesi europei, soprattutto del nord Europa, cominciano ad attivarsi progetti di ricerca nazionali che hanno come oggetto produrre varietà per l’agricoltura biologica con un alto livello di diversità, cui seguiranno negli anni vari progetti europei. Tutti centrati sullo studio di piante che non sono più tecnicamente varietà (uniformi, distinte e stabili come da normativa sementiera) ma popolazioni (Composite Cross Population – CCP) o materiale eterogeneo, come lo definirà la Commissione Europea nel 2014, aprendo la strada alla commercializzazione delle loro sementi. Il seguente articolo riporta la storia di questo percorso europeo con un particolare riferimento all’Italia, presentando l’esperienza sulle popolazioni maturata da Rete Semi Rurali e dai suoi soci e dall’Università degli Studi di Firenze.
Le Popolazioni (CCP)
Le popolazioni evolutive permettono di produrre varietà in grado di adattarsi nel tempo ai cambiamenti climatici sfruttando i diversi gradi di adattamento dei genotipi costituenti il pool stesso. Infatti, le popolazioni si evolvono per adattarsi sempre meglio alle condizioni specifiche di clima, terreno, tecniche agronomiche in cui sono coltivate: questa evoluzione avviene perché le piante, che in un certo anno e in un certo ambiente hanno una fitness maggiore, producono più semi di quelle che hanno una fitness più bassa. Se l’anno successivo le condizioni ambientali cambiano, allora le piante derivate da quelle che l’anno prima hanno prodotto pochi semi, ne producono di più e viceversa. Una popolazione si muove a zig zag ma, se la tendenza a lungo termine muove verso temperature gradualmente più alte e verso un clima gradualmente sempre più siccitoso, le piante che in queste condizioni crescono meglio, producono più semi e saranno via via più numerose, cioè la popolazione gradualmente si adatterà senza bisogno di sapere adesso quanto più caldo farà e quanto meno pioverà in futuro. Nel breve periodo, la diversità delle popolazioni evolutive consente loro di assorbire le differenze climatiche tra un anno e l’altro molto meglio delle varietà moderne uniformi. Inoltre, le popolazioni evolutive possono essere considerate come una vera e propria banca del germoplasma vivente ed in evoluzione nelle mani degli agricoltori, che potranno accelerare, modificare o indirizzare la loro evoluzione scegliendo le piante migliori o quelle che secondo loro rispondono meglio alle necessità dell’azienda. L’agricoltore potrà quindi selezionare la propria popolazione in funzione delle necessità produttive e della zona di coltivazione. Poiché agricoltori diversi selezioneranno in modo diverso, l’uso delle popolazioni favorirà un aumento della biodiversità coltivata nello spazio e nel tempo. Inoltre la coltivazione in areali differenti e presso molti agricoltori consente di accelerare l’evoluzione delle popolazioni in modo da arrivare velocemente a un materiale stabile e adattato sia al metodo di coltivazione che all’ambiente in cui si è evoluto. Questa innovazione consentirà di riportare diversità nel settore cerealicolo biologico o basso input, andando anche a risolvere il problema dell’assenza di varietà specifiche per l’agricoltura biologica. Ricordiamo che la base genetica ampia di una varietà o popolazione determina la capacità di compensare i continui cambiamenti ambientali che si verificano nel corso del ciclo colturale: dalla presenza di fitopatie agli stress abiotici. In un materiale che presenta biodiversità, anche se i geni per le resistenze non si trovano in tutti gli individui (condizione omozigote), la crescita del patogeno rimarrà controllata e la sua diffusione non si presenterà generalmente devastante. Tutte caratteristiche essenziali in agricoltura biologica o a basso input, mentre il miglioramento genetico per i cereali si è focalizzato soprattutto sull’agricoltura convenzionale e non ha lavorato per la produzione di varietà con tratti specifici interessanti per il biologico (ad esempio la competizione con le infestanti, la capacità di svilupparsi senza l’apporto di concimi chimici di sintesi).
I progetti di ricerca europei
A partire dal 2010 alcuni progetti di ricerca europea hanno cominciato a studiare l’efficacia dell’uso di popolazioni nei sistemi agrari biologici o a basso input, come strategia per rispondere ai cambiamenti climatici e per rendere più resilienti e sostenibili i sistemi stessi e produrre varietà adatte a questi sistemi. Il primo progetto è stato nel 2010 Strategies for Organic and Low Input Integrated Breeding and Management (SOLIBAM, 2010-2014 – www.solibam.eu) finanziato dal VII Programma Quadro. Mentre erano in corso le attività di SOLIBAM il programma di ricerca Core-Organic II ha finanziato il progetto Coordinating Organic Plant Breeding Activities for Diversity (COBRA www.coreorganic2.org/COBRA) chiuso nella primavera del 2016. Dal 2015 il lavoro sperimentale sulle popolazioni sta continuando all’interno di un altro progetto di ricerca europeo finanziato dal nuovo programma Horizon 2020. Si tratta di DIVERSIFOOD (Embedding crop diversity and networking for local high quality food system – www.diversifood.eu) che riprende il lavoro e i risultati di SOLIBAM e COBRA estendendo il numero di specie coinvolte e includendo studi socio-economici specifici sulle filiere coinvolte. Nell’ambito del Programma LIFE, in Italia si è portata avanti la costituzione di una popolazione di frumento duro da varietà locali italiane grazie al progetto SEMENTE PARTECIPATA (www.life-sementepartecipata.eu) coordinato dalla Scuola di Agraria dell’Università di Firenze. Grazie a questi progetti sono disponibili anche in Italia alcune CCP di frumento tenero, duro e orzo testate dal 2010 in più ambienti della penisola.
SOLIBAM
Il progetto SOLIBAM ha coinvolto, dal 2010 al 2014, 12 paesi (tutti europei, tranne l’Etiopia e il Mali) e 23 organizzazioni, e ha finanziato 16 dottorati e realizzato oltre 80 incontri in altrettante aziende agricole. Il progetto ha creato un ponte tra il mondo della ricerca e le pratiche agricole per sperimentare nuove forme di miglioramento partecipativo per l’agricoltura biologica e a input ridotto con l’obiettivo di incrementarne la qualità e la produttività attraverso lo sviluppo di un modello di innovazione varietale che tenesse in considerazione l’impatto delle pratiche agronomiche. Nei quattro anni di lavoro sono stati eseguiti più di 50 esperimenti sul campo nel corso dei quali le innovazioni sono state collaudate per almeno tre stagioni agrarie sulle seguenti specie: frumento, orzo, mais, fave, fagioli, pomodori e broccoli. Gli esperimenti sono stati organizzati in modo da poter valutare il sistema di coltivazione e il rendimento della coltura secondo dieci concetti elaborati per includere gli obiettivi di SOLIBAM: resilienza, vigore, biodiversità funzionale, stabilità nella resa, adattabilità, consociazione, sostenibilità, processi evolutivi, qualità organolettiche e ricerca partecipata.
Il lavoro svolto ha permesso di comparare in diverse condizioni agro-ecologiche in Europa l’evoluzione di un set di popolazioni provenienti dal lavoro dell’Organic Research Center (Döring et al. 2015), dell’Hungarian Academy of Sciences (Tremmel-Bede et al. 2016) e dell’Università di Kassel (Finckh et al. 2010; Brumlop et al. 2017). Questa valutazione ha seguito un disegno sperimentale classico a blocchi randomizzati che è stato adattato alle diverse realtà nel corso del progetto. In Italia il numero di località che hanno ospitato i campi sperimentali e il numero di popolazioni esaminate all’interno del disegno sperimentale sono variate nel corso degli anni. Il lavoro è iniziato con la semina nel 2010 in una sola azienda agricola (Toscana) di 5 popolazioni provenienti da Inghilterra (ORC YQ MIX, ORC YQ CCP, MHV MIX) e Ungheria (HU CCP1, HU ELITE CCP), oltre ad una miscela di vecchie varietà che hanno dimostrato una buona adattabilità in biologico e alla varietà Emese in funzione di controllo (varietà moderna sviluppata in Ungheria). Con la semina del 2011 si sono aggiunte un’altra azienda agricola (Friuli Venezia Giulia) e la Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa grazie al supporto tecnico del dr. A. Costanzo. Con la semina del 2012 vengono inserite nella sperimentazione altre 2 popolazioni inglesi (NIAB LOW INPUT e NIAB DIVERSITY) e la Stazione Sperimentale Consorziale per la Granicoltura della Sicilia. Con la semina del 2013 il disegno sperimentale si amplia ancora con 3 popolazioni tedesche (COBRA A, COBRA Q, COBRA Y). L’annata 2013/2014 ha rappresentato il culmine di un processo di apprendimento che ha permesso il perfezionamento del disegno sperimentale e dei metodi adottati per i rilievi in campo. Ma la novità più importante è senz’altro rappresentata dal fatto che si introduce per la prima volta in Italia l’elemento del miglioramento genetico partecipativo: oltre ai dati produttivi e fenologici rilevati da agronomi, si organizza una vera e propria attività di valutazione delle parcelle con agricoltori, tecnici e trasformatori che esprimono il proprio giudizio su ciascuna parcella basandosi sulla propria esperienza professionale e il proprio intuito (Foto 1).
Foto 1: Valutazione delle popolazioni di frumento tenero e duro presenti nel campo sperimentale di Rete Semi Rurali presso l’azienda agricola Floriddia da parte degli agricoltori durante la tre giorni di Coltiviamo la Diversità! Ed. 2016 Peccioli (PI) # foto R. Franciolini/RSR
In parallelo al confronto delle CCP sopra elencate è cominciata la diffusione di popolazioni evolutive di cereali tra gli agricoltori. Il materiale di partenza è arrivato dall’ICARDA (International Center for Agricultural Research in the Dry Areas) grazie al lavoro del Prof. Salvatore Ceccarelli e consisteva di 3 popolazioni di frumento duro, tenero e orzo ottenute da centinaia di incroci, un materiale altamente variabile con al suo interno centinaia di potenziali varietà. Le popolazioni evolutive sono state costituite grazie a 3 programmi internazionali di miglioramento genetico con migliaia di linee in selezione. L’ICARDA contava all’epoca una banca del germoplasma ricca di ben 135.000 accessioni provenienti da 110 paesi, incluse varietà locali, varietà migliorate e progenitori selvatici. Le tre popolazioni evolutive originali sono state ottenute mescolando 3000 semi per ogni incrocio (circa 100 grammi) per un peso complessivo di circa 200 kg e sono state distribuite ad agricoltori di differenti paesi: ogni agricoltore ha ricevuto circa 5 kg di seme. La popolazione di orzo, costituita nel 2008 è stata destinata ad agricoltori in Siria, Giordania, Eritrea, Algeria e Iran, mentre le popolazioni di frumento tenero e duro sono state costituite l’anno seguente per gli agricoltori di Siria, Giordania, Algeria e Marocco (Ceccarelli 2016). In Italia vengono seminate per la prima volta nel 2010 e col passare del tempo le popolazioni evolutive ICARDA prendono nell’uso comune il nome di popolazioni SOLIBAM. Gli agricoltori hanno seminato e raccolto le popolazioni per verificarne l’evoluzione e le capacità adattative nel tempo. Sono state fatte anche alcune selezioni interne alle popolazioni che hanno portato alla costituzione di sub-popolazioni. La popolazione SOLIBAM Tenero ha avuto un successo immediato e si è diffusa rapidamente tra gli agricoltori raggiungendone 37 documentati nel 2017 (il numero reale è sicuramente superiore) in 15 regioni d’Italia. La popolazione ha mostrato grande capacità di adattamento ad ambienti pedo-climatici molto diversi tra loro (Piemonte, Toscana e Sicilia) e, dai risultati di cui disponiamo, sembra raggiungere rese importanti in un arco di tempo relativamente ridotto. In Toscana, nel 2012, è stata inoltre effettuata una selezione delle migliori spighe grazie alla collaborazione dell’agricoltore con RSR e SSSUP (Foto 2). Questa selezione è stata seminata per la prima volta nel 2012, e ininterrottamente per tutti gli anni successivi evolvendosi parallelamente a quella originaria ed esibendo rese superiori alla popolazione di partenza, nel suo ambiente di selezione e adattamento. La popolazione SOLIBAM Duro viene condivisa negli anni con un numero crescente di agricoltori, raggiungendone 10 distribuiti su 4 regioni nel 2017 (il numero reale è sicuramente superiore). A differenza del tenero, la popolazione di duro si trova in competizione con varietà locali e vecchie varietà (per esempio il Senatore Cappelli) molto ben adattati e già ben inseriti in un mercato di nicchia dei cosiddetti “grani antichi”. Questo è particolarmente vero per la Sicilia, dove vi sono già 2 varietà di frumento duro iscritte al registro delle varietà da conservazione e altre in fase di iscrizione. In Molise e Basilicata la popolazione ha riscosso un grande interesse da parte degli agricoltori che la stanno coltivando ormai da diversi anni e dove ha potuto adattarsi agli ambienti agricoli tanto da risultare in due popolazioni distinte.
Scelta di spighe all’interno della popolazione di tenero coltivata in Toscana e costituzione della sub-popolazione espressione della selezione dell’agricoltore (a destra), poi denominata SOLIBAM selezione Rosario, che è risultata in media la più produttiva in tutti gli ambienti e per tutti gli anni rispetto alle entrate presenti nel disegno sperimentale ed elencate nella tabella 1, Az. Agr. Floriddia, 30 luglio 2012 # foto R. Franciolini/RSR
COBRA
Mentre SOLIBAM è in corso, i partner decidono di mettere in piedi un progetto di coordinamento europeo di tutte le esperienze che lavorano sulle popolazioni. Nasce così COBRA, un progetto triennale avviato nel marzo 2013 che ha coinvolto 41 partner di 18 paesi europei. Il progetto si proponeva di creare una rete di attori attivi sul miglioramento genetico per l’agricoltura biologica in Europa con particolare enfasi allo sviluppo di materiale caratterizzato da alta diversità genetica. Nello specifico gli obiettivi di COBRA sono stati: (i) migliorare i metodi che garantiscono la qualità fitosanitaria dei semi; (ii) stabilire il potenziale delle popolazioni e dei materiali eterogenei per incrementare la resilienza, l’adattabilità e la produttività dei sistemi agricoli biologici; (iii) identificare e rimuovere le barriere strutturali allo sviluppo dei sistemi sementieri e di miglioramento genetico per l’agricoltura biologica; (iv) supportare lo sviluppo di reti tra gli attori coinvolti nel miglioramento genetico per l’agricoltura biologica che favoriscano la disseminazione di idee ed esperienze. Grazie al lavoro dell’Università di Kassel sono incluse nei disegni sperimentali di SOLIBAM le popolazioni note come COBRA, costituite in modo da valutare la capacità adattativa di miscele di varietà rispetto a miscele di incroci delle stesse varietà, coltivate in condizioni di agricoltura biologica, basso input e convenzionale in differenti aziende agricole in molti paesi europei (Bertholdsson et al. 2016).
DIVERSIFOOD
Con la fine di SOLIBAM nel 2014, alcuni dei suoi partner decidono di partecipare al nuovo bando di HORIZON2020 sulla valorizzazione della diversità agricola con un approccio multiattoriale. Comincia così la nuova sfida di DIVERSIFOOD con l’ambizione di “integrare la diversità delle colture e creare reti per i sistemi alimentari locali di alta qualità”. Sono coinvolti nel progetto 21 partner europei tra cui istituti di ricerca pubblici e privati, università, organizzazioni tecniche, reti di cittadini e reti di agricoltori. Oltre ai partner scientifici, vengono infatti coinvolte nel progetto tutte le reti e le associazioni che da anni sono attive nel promuovere il PPB e che collaborano all’interno del Coordinamento europeo Liberiamo la Diversità! (EC-LLD): Rete Semi Rurali, Reseau Semences Paysannes, Red Andaluza de Semillas, ProSpecieRara, Arche Noah. Attraverso un approccio multi-attoriale e transdisciplinare basato su casi rilevanti, i partner sintetizzano la visione comune con le seguenti parole:
“I processi co-evolutivi all’interno dei sistemi (come ad esempio il sistema alimentare) supportano l’integrazione dinamica di diversi processi concomitanti che riguardano diverse dimensioni (economica, sociale, ambientale, politica, culturale e legale). Un sistema alimentare resiliente soddisfa la sua funzione di fornire alimenti in maniera diversificata, qualità alimentare e lo sviluppo sostenibile, all’interno di condizioni locali e globali di democrazia alimentare in cui la biodiversità è gestita in modo comunitario. Per raggiungere tutti questi obiettivi, DIVERSIFOOD promuove la ricerca collaborativa, partecipativa e attiva, ma anche la transdisciplinarità e il cambiamento del paradigma alimentare”.
DIVERSIFOOD intende sviluppare: (i) innovazioni rilevanti promosse a livello locale; (ii) nuovi modelli di gestione della biodiversità; (iii) nuovi approcci al miglioramento genetico; (iv) maggiore diversità delle colture, varietà e popolazioni; (v) prodotti variegati, sani e gustosi e la loro valorizzazione su mercato; (vi) attività di ricerca originali e strumenti di comunicazione per connettere attività e persone.
Con la conclusione del progetto SOLIBAM, in Italia l’attività di sperimentazione in campo è proseguita incentrando il disegno sperimentale sulle popolazioni evolutive ICARDA che si trovavano già al quarto anno di coltivazione e adattamento. A partire dalle semine del 2014 comincia una vasta sperimentazione su frumento tenero e duro (vedi elenco delle entrate in tabella 1 e 2) che coinvolge 4 regioni agro-ecologiche molto differenti (Piemonte, Toscana, Molise e Sicilia) che possa rispondere ai 3 questi principali sull’adattamento specifico emersi dallo studio delle popolazioni durante gli anni precedenti:
1) Come e quanto si sono evolute le differenti popolazioni evolutive coltivate oggi in Italia? Quanto influenza la capacità e la velocità di adattamento se la popolazione è costituita da un miscuglio di varietà (poche o tante) o un miscuglio di incroci (pochi parentali o tanti)? 2) Come si comporta una popolazione evolutiva coltivata per alcuni anni in una data località se la si coltiva in una località completamente differente? E quali sono le differenze con la popolazione evolutiva coltivata in questa nuova località? 3) Quale è il valore agronomico ed il gradimento che esprimono gli agricoltori (ma anche altri attori delle filiere cerealicole) sulle popolazioni evolutive in relazione alle varietà moderne ed alle varietà locali?
Tabella 1: Frumento tenero – materiali usati nelle annate agrarie 2014/2015,
2015/2016 e 2016/2017. Le entrate 3, 8, 9 e 10 sono state aggiunte con le
semine del 2015 mentre tutte le altre erano già’ state coltivate con le semine
del 2014.
Tabella 2: Frumento duro – materiali usati nelle annate agrarie
2015/2016 e 2016/2017.
Si riportano in questa sede solo le considerazioni sui risultati delle performance delle popolazioni di frumento tenero seminate nel 2014 e 2015 (Bocci et al. 2017; Ceccarelli et al. 2016) e si rimanda alla pubblicazione citata per la descrizione del disegno sperimentale e la comparazione con l’analisi dei dati relativi al frumento duro. Si fa presente inoltre che l’elaborazione statistica dei risultati dell’annata 2016/2017 è in fase di completamento. La selezione effettuata dall’agricoltore in Toscana nel 2012 (SOLIBAM Selezione Rosario) a partire dalla popolazione SOLIBAM Floriddia, è consistentemente la più performante nel proprio ambiente di selezione. Questo dato rappresenta una buona indicazione del potenziale che le popolazioni offrono quale materiale di partenza per un lavoro di miglioramento genetico decentralizzato basato su un lavoro di selezione e mirato allo sviluppo di nuove sub-popolazioni stabilizzate ad ambienti pedo-climatici specifici. Nel nostro caso, la SOLIBAM Selezione Rosario ha consistentemente superato in termini di produttività la varietà moderna per agricoltura biologica Emese, indicando come risultati estremamente positivi in termini di miglioramento genetico, possano essere raggiunti rapidamente e con costi estremamente contenuti ricorrendo al miglioramento evolutivo. Dai dati illustrati nei grafici 1 e 2 si evince inoltre come l’evoluzione e l’adattamento delle popolazioni non seguano un andamento lineare ma piuttosto rispondano in modo dinamico all’interazione ambientale. Nel 2015 si osserva che in Toscana la SOLIBAM Floriddia superava marcatamente in produttività la SOLIBAM Li Rosi, mentre l’opposto avveniva in Sicilia. Tuttavia nel 2016 la differenza tra le due popolazioni SOLIBAM in Toscana è diminuita notevolmente, al punto che in Sicilia si è osservato un superamento della SOLIBAM Li Rosi da parte della SOLIBAM Floriddia.
Grafico 1: Frumento tenero – confronto dei dati produttivi tra regioni dell’annata agraria 2014/2015.2015/2016 e 2016/2017.
Grafico 2: Frumento tenero – confronto dei dati produttivi tra regioni dell’annata agraria 2015/2016.
Questi dati ci suggeriscono che nonostante le popolazioni si stiano adattando agli ambienti di coltivazione (grafici 3 e 4), cosa osservabile anche tramite rilievi morfologici, le pressioni di selezione non sono state tali da ridurre la variabilità genetica e quindi impedire alle popolazioni di rispondere a eventi climatici diversi da un anno all’altro. Si può ipotizzare che il comportamento e la performance produttiva di una popolazione in un dato anno siano influenzati non solamente dall’andamento climatico dell’annata agraria in corso ma anche e soprattutto da quello dell’annata precedente.
Grafico 3: Interazione genotipo-ambiente in frumento tenero (GGE Biplot): (i) la popolazione SOLIBAM adattata alla Sicilia (SOL_LR) è fortemente associata all’ambiente climatico della Sicilia per gli anni 2014/2015 (Si15) e 2015/2016 (Si16); (ii) la selezione operata dall’agricoltore all’interno della popolazione SOLIBAM adattata alla Toscana e coltivata in Toscana (SOL_FLS) è fortemente associata all’ambiente climatico della Toscana per gli anni 2014/2015 (To15) e 2015/2016 (To16); (iii) la popolazione SOLIBAM adattata alla Toscana (SOL_FL) è correlata positivamente con tutti gli ambienti in prova annata agraria 2015/2016.
Grafico 4: Produzione e stabilità in frumento tenero (GGE Biplot): (i) la selezione operata dall’agricoltore all’interno della popolazione SOLIBAM adattata alla Toscana e coltivata in Toscana (SOL_FLS) ha reso di più in termini quantitativi (q.li/ha) rispetto a tutte le altre entrate, per tutti gli ambienti e per tutti gli anni; (ii) la popolazione SOLIBAM adattata alla Toscana (SOL_FL) ha mostrato maggiore stabilità nelle rese rispetto a tutte le altre entrate, per tutti gli ambienti e per tutti gli anni
Infatti le frequenze dei vari tipi di piante all’interno di una popolazione sono determinate dai genotipi che hanno esibito una fitness (capacità di riprodursi) superiore nel ciclo produttivo precedente, periodo nel quale fattori abiotici (clima, fertilità ecc.) e biotici (malattie, parassiti, sinergie all’interno dell’ecosistema), favorendo o sfavorendo la fitness di determinati genotipi, hanno modellato la composizione della popolazione successiva. L’analisi dei dati meteorologici per i periodi interessati (grafico 5) mette in evidenza chiaramente l’andamento a “zigzag” che abbiamo potuto osservare per questo periodo (Petitti 2017).
Infine, le marcate differenze in termini di produttività relativa del materiale saggiato tra una località e l’altra, in uno stesso anno, ci confermano che l’utilizzo di popolazioni evolutive è l’unica strada percorribile per riuscire a sfruttare tutto il potenziale produttivo di ciascuno di questi ambienti senza ricorrere all’utilizzo di concimi e prodotti fitosanitari.
Riguardo alle popolazioni di origine inglese e ungherese saggiate nel corso degli ultimi 7 anni nel quadro di SOLIBAM e DIVERSIFOOD (HU, ORC, NIAB, COBRA) si è notata una marcata differenza rispetto alle popolazioni SOLIBAM originate dalla popolazione evolutiva ICARDA. La popolazione ICARDA è stata costituita usando un grande numero di parentali (circa 200) per le zone aride e semi-aride, di conseguenza, quando questa si è diffusa in Italia in ambienti pedo-climatici caratterizzati da basse precipitazioni (Sicilia, Toscana, Molise) dando origine alle popolazioni SOLIBAM, ha mostrato una grande plasticità e prestazioni relativamente superiori rispetto alle altre popolazioni e varietà saggiate. Le popolazioni inglesi e ungheresi invece sono state costituite incrociando parentali (circa 20) adatti alla coltivazione in agricoltura biologica negli ambienti pedo-climatici dell’Europa continentale e settentrionale, per tale ragione sono caratterizzate da una variabilità genetica inferiore rispetto alle SOLIBAM, fatto questo che ne riduce le capacità di adattamento. Inoltre, alcune delle caratteristiche positive che le caratterizzano, quali resistenza a malattie fungine, non riescono ad esprimersi nei nostri ambienti pedo-climatici, in generale troppo diversi da quelli in cui sono state costituite.
Grafico 5: Differenze e correlazioni climatiche tra gli ambienti testati (Multivariate PCA): l’analisi multivariata delle componenti principali (PC1, PC2 e PC3) per i parametri climatici di temperatura e piovosità relativi ai periodi ottobre-giugno (decadi) degli ultimi 6 anni conferma che gli ambienti studiati (Sicilia, Molise e Toscana) sono climaticamente molto differenti tra loro per tutti gli anni tali da motivare l’adattamento delle popolazioni nel tempo ad un dato ambiente di coltivazione.
Queste considerazioni ci confermano come la scelta delle linee parentali (tipologia e numero) in fase di costituzione di una popolazione sia una fase assolutamente critica per il successo dell’adattamento negli ambienti interessati. Si può quindi affermare che i primi risultati hanno messo in luce come le due popolazioni SOLIBAM Floriddia e SOLIBAM Li Rosi possano essere considerate come unità a sé stanti per l’idoneità ad essere riprodotte senza modifiche rilevanti nel breve e medio periodo avendo raggiunto un equilibrio dinamico nel proprio areale di adattamento, caratterizzato da specifiche condizioni agro-climatiche. Questo ci ha portato a ritenerle idonee ai fini della loro iscrizione come materiale eterogeneo secondo la Decisione della Commissione del 2014.
SEMENTE PARTECIPATA
Nel 2014 prende avvio anche il progetto SEMENTE PARTECIPATA, finanziato dal programma LIFE e coordinato dalla Scuola di Agraria di Firenze, con lo scopo di costi tuire una popolazione di frumento duro in grado di adattarsi agli specifici ambienti di coltivazione (Toscana, Sicilia e Marche) e mettere a punto un avvicendamento colturale di 3 anni in modo da ridurre drasticamente gli interventi agronomici e ottimizzarne il potenziale produttivo nel rispetto dell’ambiente e delle caratteristiche nutrizionali dei frumenti. L’attività principale del progetto consiste nella messa a punto della tecnica di breeding evolutivo che consente di fare miglioramento genetico a partire dall’ambiente di coltivazione affinché le colture co-evolvano con questo e vi si adattino, superando la logica della selezione in aziende sperimentali che nulla hanno a che fare con i campi degli agricoltori. L’utilizzo di varietà esistenti da tempo sul territorio (in particolare 42 varietà locali siciliane e sarde, alcune vecchie varietà e 6 accessioni di grano turanico) e quindi già adattate, consente non solo la salvaguardia della biodiversità coltivata, ma anche la riduzione dell’inquinamento del suolo tramite la diminuzione degli input forniti alla coltura e la conseguente riduzione delle emissioni di CO2 nell’ambiente oltre alla messa in coltura delle aree marginali.
Commercializzazione delle sementi
Foto 3: Alcune delle popolazioni ammesse alla sperimentazione a partire dal 2017, da sinistra verso destra, SOLIBAM Duro Petacciato, SOLIBAM Duro Floriddia, Frumento Tenero Virgo, SOLIBAM Tenero Floriddia # foto B. Bussi/RSR
Uno dei maggiori risultati di SOLIBAM è stato quello di aver dato impulso ad un processo di apertura della normativa europea sulle sementi rispetto alla commercializzazione di popolazioni, definite come ‘materiale eterogeneo’. Si tratta di una novità assoluta nel panorama europeo, dominato dai parametri di distinzione, uniformità e stabilità quali requisiti per la registrazione di varietà per la commercializzazione della semente. Con la decisione del marzo 2014 (2014/150/EU), la Commissione Europea ha acconsentito, per un arco di tempo limitato (fino alla fine del 2018), che i Paesi membri che ne fanno richiesta possano avviare una sperimentazione temporanea relativa alla commercializzazione di sementi di popolazioni di cereali. L’intenzione della Commissione è quello di studiare le modalità e le problematiche relative alla commercializzazione di materiale eterogeneo per individuare i principi e le regole di futuri regolamenti in materia. È importante sottolineare come questa apertura rappresenti un riconoscimento delle esigenze del settore dell’agricoltura biologica e del fatto che diversi modelli di sviluppo in agricoltura necessitano di politiche specifiche, ma anche dell’importanza della diversità intra-varietale e di sistemi sementieri informali o basati su criteri diversi da quelli che hanno prodotto, nel bene e nel male, il sistema agro-alimentare europeo.
Grazie al lavoro svolto nei campi in questi anni, l’Italia ha potuto dichiarare il proprio interesse alla Commissione europea e così autorizzare una sperimentazione temporanea di vendita di materiale eterogeneo. Sono ben 8 le popolazioni di cereali che sono state autorizzate ad essere commercializzate in quanto sementi (Foto 3), grazie al lavoro di adattamento specifico svolto in questi anni da alcuni enti di ricerca ed associazioni: Rete Semi Rurali (3 di frumento tenero, 2 di frumento duro), l’Università di Firenze (1 di frumento duro), l’Università di Perugia (1 di orzo) e Arcoiris (1 di frumento tenero). L’iter si trova attualmente nella fase di messa a punto insieme al MIPAAF e al CREA-DC delle procedure relative ai controlli in campo e conseguente certificazione dei quantitativi di semente ammessi alla vendita per ogni popolazione effettuati nel mese di giugno 2017 (Foto 4 e video visibile all’indirizzo www.youtube.com/watch?v=k-YwG8DUFHA) dei controlli fitosanitari e conseguente rilascio del cartellino ai fini di commercializzazione e della autorizzazione alla deroga per la vendita da parte degli agricoltori moltiplicatori (in corso). Il CREA-DC sta acquisendo i materiali autorizzati per le semine della stagione agraria 2017/2018 in modo da individuare, nel corso della coltivazione, le caratteristiche di riconoscibilità delle popolazioni autorizzate.
Foto 4 – Firma del verbale di controllo in campo per la popolazione SOLIBAM Tenero Floriddia con indicazione dei quantitativi di semente potenzialmente ammissibili alla vendita da parte del CREA-DC (Dr. Alessandra Sommovigo) nel corso della tre giorni di Coltiviamo la Diversità! Ed. 2017 Peccioli (PI) # foto G. De Santis/RSR
Gli aspetti qualitativi Considerando poi gli aspetti qualitativi, possiamo osservare un altro paradosso, per seguire le esigenze della commercializzazione e dell’industria di trasformazione, con il miglioramento genetico si sono alterate molte caratteristiche organolettiche e nutrizionali dei prodotti agricoli, dalle verdure alla frutta dai cereali ai prodotti zootecnici. Sistemi di coltivazione, di allevamento e di miglioramento genetico, anche se garantiscono un incremento produttivo, riducendo i costi di produzione e rendendo i prodotti più disponibili, hanno determinato una riduzione del valore nutrizionale e organolettico di tutto ciò che si mangia. Nel caso dei cereali l’identificazione dei geni per il controllo delle proteine di riserva ha permesso di ricombinare diversi alleli per l’ottenimento di glutine molto rispondente alle esigenze dell’industria molitoria, dei pastifici e dei panifici, determinando un parziale stravolgimento della composizione della cariosside. Da un prodotto ricco in amido (primaria fonte di energia per il nostro organismo) si è ottenuto, mediante la selezione un prodotto con più del 15% di proteine. Inoltre queste proteine (gliadine e glutenine), che con l’impasto con acqua formano il glutine, presentano delle caratteristiche che migliorano decisamente le qualità tecnologiche degli impasti. Fare oggi la pasta o il pane con queste caratteristiche reologiche migliorate risulta decisamente più vantaggioso: si ottengono dei pani molto lievitati, leggeri, dorati, croccanti appena sfornati. Ma purtroppo sia le varietà utilizzate che il sistema di trasformazione (molitura e panificazione con lievito di birra), producono un pane che può incrementare gli aspetti negativi del valore alimentare del frumento. Molte infatti sono le intolleranze e le allergie provocate dal frumento, per una descrizione esaustiva e completa vedi l’articolo di Kucek et al. 2015.
Le qualità nutraceutiche dei cereali La selezione operata negli anni a partire da Nazareno Strampelli, da Norman Borlaugh ad arrivare ai nostri tempi, non poteva considerare alcuni aspetti riguardanti le qualità nutraceutiche dei cereali. Oggi si dispone di metodologie rapide per la valutazione dei genotipi che permettono di estendere la caratterizzazione dell’ideotipo, anche a caratteri legati alla nutraceutica e funzionalità degli alimenti ottenuti. Molte sono ancora le cose da studiare, come quelle di valutare la risposta in vivo a particolari alimenti e associarla a dei marcatori che permettano la selezione a livello di spiga o di cariosside. È da sottolineare, per esempio che la riscoperta e la coltivazione di alcune varietà di grano, che attraverso delle prove in vivo hanno dimostrato di ridurre gli indici infiammatori (misurazione delle citochine) nelle persone alimentate per brevi periodi (8-10 settimane) con prodotti ottenuti dalle farine e semole di queste varietà (Sofi et al. 2011), fa pensare che ci siano delle caratteristiche che per diversi motivi, sono andate perse. Il motivo di questa perdita potrebbe essere dovuto a diversi fattori: • Associazione negativa di queste caratteristiche con alcuni caratteri che sono stati utilizzati per il miglioramento dei frumenti; • Effetto pleiotropico dei geni responsabili delle caratteristiche qualitative e produttive; • Perdita di alcune caratteristiche nutraceutiche, dato il ristringimento della variabilità genetica (bottleneck) dei cereali moderni; In tutti i casi, vista l’importanza di certe proprietà a livello nutrizionale, la caratterizzazione e la ricerca dei geni responsabili delle qualità nutraceutiche, deve obbligatoriamente essere applicata. Questo al fine di iniziare nuovi programmi di miglioramento genetico, che prendano in considerazione un complesso di geni contemporaneamente, per migliorare le varietà, non solo per quanto riguarda le caratteristiche produttive e qualitative tecnologiche, ma anche e, sarebbe bene, soprattutto per le caratteristiche nutraceutiche. E’ impensabile ricorrere alle varietà antiche, anche se, attualmente sono le uniche che danno una valida alternativa per quanto riguarda gli aspetti nutraceutici, dato la loro ridotta capacità produttiva. Quindi è necessario avviare programmi di selezione al fine di migliorare le caratteristiche produttive e tecnologiche, cercando di mantenere le qualità organolettiche e nutrizionali delle varietà antiche. Prendendo in considerazione il frumento, esistono varietà che sono molto produttive con caratteristiche tecnologiche eccellenti, ma non sempre vengono tollerate dai alcuni individui. Prove eseguite in vivo, hanno dimostrato come prodotti ottenuti con farine e semole di alcune varietà avevano migliori proprietà nutraceutiche. I motivi e le componenti che determinano tali differenze non sono stati ancora completamente individuati, varie sono le ipotesi: migliore composizione dei metaboliti secondari, come polifenoli e flavonoidi, migliore attività anti-radicalica, migliore cinetica di digestione delle proteine di riserva, minore numero di sequenze responsabili delle reazioni immunitarie da parte di soggetti celiaci (epitopi tossici) all’interno delle proteine di riserva. Comunque selezionare in base ai risultati delle prove in vivo non è pensabile, quello che si deve cercare è di mettere a punto dei sistemi di valutazioni basati su prove in vitro utilizzando minime quantità di prodotto. È quindi auspicabile che si avviino nel prossimo futuro, ricerche al fine di identificazione dei marcatori che possano garantire un’efficace identificazione dei genotipi con caratteristiche nutraceutiche migliori, da utilizzare per combinarli e successivamente monitorarli durante il processo selettivo, al fine dell’ottenimento la popolazione ideale.
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di Massimo Angelini – Novembre 2011 Già pubblicato come Scheda RSR n°9 e in Notiziario RSR#15, qui ripubblicato integralmente con approfondimenti bibliografici e note dell’autore
***La visibilità della varietà agricole conservate e tramandate dai coltivatori, è diventata più nitida da quando, sull’onda dell’attenzione ecologica, si sono imposti i concetti di diversità e patrimonio rurale, concetti tradotti e mediati da espressioni efficaci, anche se non sempre felici: penso, per esempio, a biodiversità, parola che pare una chimera composta da parti – bio e diversità – poco congruenti tra loro, o a risorse genetiche, espressione di sapore strumentale e riduzionistico come ogni espressione che traduce in “risorsa” l’ambiente (r. naturali), le persone (r. umane), e più in generale cosa vive, come se fossero beni, macchine o capitali.
The Centrality of Seed: Building Agricultural Resilience Through Plant Breeding
by Salvatore Ceccarelli, PhD
Five of the global issues most frequently debated today are the decline of biodiversity in general and of agrobiodiversity in particular, climate change, hunger and malnutrition, poverty and water. Seed is central to all five issues. The way in which seed is produced has been arguably their major cause. But it can also be the solution to all these issues.
Five of the global issues most frequently debated today are the decline of biodiversity in general and of agrobiodiversity in particular, climate change, hunger and malnutrition, poverty and water. Seed is central to all five issues. The way in which seed is produced has been arguably their major cause. But it can also be the solution to all these issues.
During the millennia before modern plant breeding began, farmers were moving around with seeds and livestock, and because neither were uniform, they could gradually adapt to different climates, soils and uses. Whenever farmers settled, they continued to improve crops and livestock. In the case of crops, the way they did it can still be seen today in a number of countries and consists of selecting the best plants, which give the seed to be used for the following season. This process was highly location-specific in the sense that each farmer did it independently from other farmers and for his/her conditions of soil, climate and uses. The enormous diversity of what we call ancient, old, heirloom varieties originated through this process.
The transition to modern plant breeding was accompanied by a change from selection for specific adaptation to selection for wide adaptation: this became the dominant breeding philosophy and was the basic breeding principle adopted by the Green Revolution.
Participatory Barley Breeding
The term Green Revolution is used to indicate an agriculture development strategy based on the use of new varieties, in conjunction with the use of fertilizers, pesticides, irrigation water and mechanization. It is now increasingly recognized that the short-term achievements of the Green Revolution had long-term penalties.
One was the reduction in food diversity with negative consequence on human health (von Hertzen et al. 2011). Another was the leaching into the ground water of fertilizers due to overuse (Good and Beatty 2011), but they also included water shortages, the emergence of pesticide resistance (Gassman et al. 2011), the increase in populations of harmful insects (Lu et al. 2013) and the bypassing of farmers in marginal areas (Baranski 2015).
GMOs, the latest addition to the industrial “toolbox,” are a short-term and unstable solution to these problems because they change the environment surrounding the organisms they intend to control (Binimelis et al. 2009). Thus, as predicted by a fundamental biological principle, namely the Fundamental Theorem of Natural Selection, their use induces resistance (Ceccarelli 2014). It is the same process by which bacteria evolve resistance to antibiotics, a phenomenon that is the cause of diseases affecting yearly two million Americans and causing 23,000 deaths in the USA (Frieden 2014; Reardon, 2014). At best, GMOs can only be a short-term solution to any particular problem, but in every case they have created an often more serious problem (resistant weeds, insects or disease) that requires a new GMO and/or more chemical use. They also make a farmer completely dependent on the company producing the GMOs and chemicals (Pechlaner 2010).
Agroecology and Alternative Methods of Plant Breeding
Agroecological models of agriculture, such as organic agriculture, could be solutions to the most important problems affecting the planet, but they are often criticized for not being able to produce enough food for a growing population. We believe, however, that most of the meta-analysis showing lower yields under organic conditions are biased by the use of varieties which were not selected specifically for organic conditions.
Participatory and evolutionary plant breeding methods, while benefiting from advances in molecular genetics, reconcile increased production of more readily available and accessible food with increased agrobiodiversity. They also maintain the evolutionary potential of our crops, which is needed to cope with climate change (Seneviratne et al. 2016). Being based on selection for specific adaptation, participatory plant breeding is not only more efficient than conventional plant breeding (Ceccarelli, 2015), but is able to produce varieties specifically adapted to both an agroecological agricultural model and diverse local climates (Ceccarelli et al. 2010). Thereby food safety is reconciled with food security.
Participatory Breeding of Tomatoes for Organic Farming
An example that this is indeed possible at low cost and in a short period of time is the following three year project of participatory tomato breeding for organic conditions.
In Italy, four single crosses representing four different tomato types, namely “cuore di bue”, “long fruit”, “cherry tomato” and “green salad fruit”, were self fertilized to produce four F2 populations (Campanelli et al. 2015) (1). These F2 seeds were distributed to four organic farmers located along a 450 km transect of the Italian Adriatic coast. Each farmer grew a random sample of 72 individual F2 plants for each of the four crosses, together with 18 individual plants of a commercial F1 hybrid of the corresponding fruit type for a total of 360 plants (4 crosses x 90 plants). The four populations were also planted at the research station. In farmers’ fields, a group of farmers and a group of scientists conducted independently a visual selection on individual plants expressing their opinion with a 1 (= worse) to 4 (= best) score. At the research station, only scientists conducted the selection. After statistical analysis, seed was extracted from the fruits of the best plants and the corresponding F3 families (8 plants per family) were grown together with the same commercial hybrid as in the first year. During the process the F3 seed of the selected F2 of the green salad population was lost because of poor seed germination. Selection was repeated with the same methodology and the best plants were used to obtain the seed of the F4 families of the three remaining crosses. These were compared with commercial hybrids in a replicated (3 replications) trial on the four farms and at the research station. The trials on farms had some lines in common (selected in more than one farm) but also the unique selections on that farm.
To assess yield, we measured the production of the first three fruit clusters. These are both very vulnerable to late frosts and very valuable to the farmers for the high prices of an early season tomato. It is thus a key commercial trait for farmers.
Farmer Tomato Breeders
The result of the three years participatory selection were identification of three families which out-yielded significantly the respective commercial hybrid and another 12 families which yielded as much as the commercial hybrids. All the three families which significantly out yielded the respective commercial hybrid were selected from the same population (the “long fruit” type). Two of these families had a yield advantage over the commercial hybrid of between 43 and 44%. The third family out-yielded the commercial hybrid in two of the four farms by 62 and 76%, but it was significantly lower yielding (-22%) than the same hybrid on the research station. Had we conducted the breeding program only at the research station, we would have missed such a line (Campanelli et al 2015).
Part of the evaluation was a score for uniformity and none of these lines was phenotypically less uniform than the hybrid. This means that they can be immediately commercialized, thus capitalizing on the work done. The lines still conserve some genetic diversity, which allows farmers to continue to improve them by extracting seeds from the best fruits of the best plants. The three advantages farmers derived from this work are 1) higher yielding varieties; 2) saving on purchased seed as they can produce their own, and 3) using varieties specifically adapted to organic conditions.
Beyond participatory plant breeding
There are several other examples of successful participatory breeding programs, but despite these successes participatory plant breeding has a weakness in requiring the collaboration of a research institute to provide breeding material and technical support such as experimental design and statistical analysis (Sthapit et al. 1996, Witcombe et al. 2003). Therefore, the sustainability of a participatory program depends on the long-term commitment of a research institution.
An interesting alternative is offered by evolutionary (participatory) plant breeding – participatory is in parenthesis because, though desirable, the participation of an Institution is not indispensable. The idea is not new as it was proposed back in 1956 (Suneson 1956). The method consists in planting in farmers’ fields with mixtures (evolutionary populations) of very many different genotypes of the same crop, preferably, but not necessarily, using early segregating generations. These populations will be planted and harvested year after year, and due to natural crossing (higher in cross-pollinated and less in self-pollinated crops), the genetic composition of the seed that is harvested is never the same as the genetic composition of the seed that was planted. In other words, the population evolves to become progressively better adapted to the environment (soil type, soil fertility, agronomic practices including organic systems, rainfall, temperature, etc.) in which it is grown. As the climatic conditions vary from one year to the next, the genetic makeup of the population will fluctuate, but if the tendency is towards hotter and drier climatic conditions, as expected in view of climate change, the genotypes better adapted to those conditions will gradually become more frequent in this farming/breeding system (Ceccarelli 2014).
The evolutionary population, which can be made by the farmers themselves by buying seed of as many different varieties (including hybrids) of a given crop, can be used by the farmers (and by researchers if they are willing to participate) as a source of genetic diversity from which to select plants with useful traits.
This has been done in Italy (data not published) using a zucchini (summer squash) evolutionary population obtained by letting 11 commercial hybrids to freely intercross. After only two cycles of visual selection, as in the case of tomato, the farmer in question selected two varieties, differing in color, yielding as much as the commercial hybrids. He has already started selling the two new varieties in local markets.
Thus evolutionary (participatory) plant breeding, being a relatively inexpensive and highly dynamic strategy to adapt crops to a number of combinations of both abiotic and biotic stresses and to organic agriculture, seems to be a suitable method to generate, directly in farmers’ hands, the varieties that will feed the current and future populations. Combining seed saving with evolution and returning control of seed production to the hands of farmers, it can produce better and more diversified varieties. These can help millions of farmers to reduce their dependence on external inputs and their vulnerability to disease, insects and climate change and ultimately contribute to food security and food safety for all.
Footnote (1) These were produced at the Headquarters of the Consiglio per la Ricerca in Agricoltura e l’analisi dell’economia agraria- Unità di Ricerca per l’Orticoltura di Monsampolo del Tronto (CREA-ORA).
Salvatore Ceccarelli lives in Hyderabad (India) and cooperates in organizing participatory and evolutionary programs with different organizations, with various crops and in a number of countries. He is associated with the organisation: Rete Semi Rurali, Via di Casignano, 25, Scandicci (FI) 50018, Italy (http://www.semirurali.net/). His website is: http://www.miscugli.it/. His papers can be accessed by joining: https://www.researchgate.net/.
Sommario:Enrico Bertacchini ha commentato per la Rete Semi Rurali la recente posizione (novembre 2008) dell’Associazione europea dell’industria sementiera sui Diritti degli agricoltori. Per commenti scrivere a info@semirurali.ne
