Le piante producono nutrimento utilizzando l'energia fornita dal sole, l'anidride carbonica presente in atmosfera e l'acqua proveniente dal suolo. La fotosintesi è un meccanismo noto da secoli che viene studiato anche alle scuole primarie. Eppure in pochi sanno che le piante sfruttano solo una frazione della luce solare che ricevono e che in una giornata estiva di pieno sole sono meno efficienti rispetto ad una nuvolosa.
Insomma, anche se la vita sulla terra si è sviluppata grazie a questo meccanismo, ci sono ampi margini di miglioramento. E se si pensa che nel 2050 sul pianeta saremo 9 miliardi di persone, risulta evidente quanto importante sia incrementare la produttività dei campi, in maniera peraltro sostenibile. "Ci sono differenti strade percorribili per rendere più efficiente lo sfruttamento della luce solare. Basti pensare che in una giornata estiva una pianta utilizza solo la metà della radiazione solare che colpisce le foglie", spiega ad AgroNotizie Paolo Pesaresi, professore dell'Università statale di Milano e coordinatore del progetto europeo BarPlus (Incremento della biomassa e della resa di orzo attraverso la modifica dell'architettura della pianta e dell'efficienza fotosintetica).
In che cosa consiste il progetto BarPlus?
"L'obiettivo è quello di incrementare l'efficienza fotosintetica dell'orzo trasformandola in una coltura destinata a due filiere. Una mangimistica-alimentare, che sfrutta la granella. L'altra energetica, con l'utilizzo della paglia come fonte di biomassa. Nello specifico stiamo migliorando la cinetica di attivazione e inattivazione di un meccanismo che si chiama non-photochemical quenching".
Ci può spiegare in maniera semplice di che cosa si tratta?
"Quando le foglie vengono investite da una luce solare intensa non riescono a trasformarla in energia chimica. Anzi, l'eccesso di energia deve essere smaltito se la pianta vuole evitare fenomeni ossidativi dannosi per l'organismo. E così la espelle sotto forma di calore. Il problema è che questi meccanismi sono lenti ad essere attivati e disattivati e la pianta non riesce ad essere tempestiva nell'adeguarsi ai cambi di luminosità".
Ma durante una giornata quante volte può cambiare la luminosità?
"Più di quanto si pensi. Basta una nuvola o il vento che sposta le foglie per modificare la quantità di luce che impatta le foglie. Si calcola che migliorando la velocità di risposta della pianta si può ottenere un aumento del 10% dell'efficienza fotosintetica e quindi di produzione di biomassa. Un lavoro pubblicato su Science sul tabacco dimostra proprio quanto la pianta modificata cresca di più".
Queste migliorie alla fotosintesi vengono effettuate facendo ricorso alle biotecnologie?
"Nel nostro caso no, sfruttiamo l'enorme variabilità genetica che esiste in natura e quella che è stata indotta dall'uomo con processi di mutagenesi. Abbiamo a disposizione 450 varietà di orzo selezionate in tutto il mondo e grazie a tecnologie sofisticate siamo in grado di monitorare i geni responsabili di questo meccanismo di protezione. Le piante più interessanti sono state selezionate e i geni saranno trasferiti attraverso i normali incroci".
Migliorare la tempestività dei meccanismi di difesa delle piante è una via per ottimizzare la fotosintesi. Ce ne sono altre?
"Nella moderna agricoltura la densità di semina è molto elevata. Nei campi di frumento, come di riso o di mais, le foglie che ricevono effettivamente la luce del sole sono solo quelle superiori, mentre quelle inferiori sono costantemente in ombra. Si tratta di una condizione poco efficiente".
E come si può migliorare?
"C'è la possibilità di ridurre i pigmenti all'interno dei cloroplasti in modo che assorbano meno luce. Le foglie apparirebbero quindi di un verde sbiadito e lascerebbero passare una parte della radiazione luminosa che andrebbe a colpire le foglie poste più in basso. In questo modo si renderebbe più efficiente la fotosintesi della pianta, perché ci sarebbe una migliore distribuzione della luce sulla superficie fogliare, e si eviterebbero alle foglie poste in alto 'sovraccarichi' di energia".
Perché in natura, dove l'efficienza nell'utilizzo delle risorse è un fattore competitivo importante, non si sono sviluppati questi meccanismi?
"Perché in un ambiente incolto le piante competono in maniera spietata per ricevere la luce solare e quindi avere un verde scuro significa mettere in ombra le piante circostanti e quindi vincere la competizione. E' lo stesso motivo per cui il frumento in natura è alto oltre due metri. Ma in un campo coltivato questa competizione è priva di scopo. In questo senso stiamo anche lavorando sull'inclinazione delle foglie".
Ci può spiegare meglio?
"L'ideale sarebbe che le foglie poste più in alto, invece di essere disposte orizzontalmente al terreno, fossero perpendicolari. E che cambiassero l'angolo gradualmente, orientandosi parallelamente al terreno, avvicinandosi al suolo. Questo permetterebbe alla luce di penetrare molto più facilmente attraverso la chioma, consentendo un assorbimento più efficiente della radiazione luminosa. Per ottenere questo obiettivo stiamo lavorando sui geni che determinano l'angolo fogliare, cioè l'inclinazione dell'attaccatura della foglia al fusto".
La Fondazione Bill&Melinda Gates ha finanziato un programma di ricerca che mira a trasformare il riso da coltura C3 a C4, di che cosa si tratta?
"Semplificando il tema, che è molto complesso, si può dire che le piante possono essere divise in due grandi famiglie. Quelle C3, in cui la fotosintesi avviene all'interno di una medesima cellula. E quelle C4, dove invece il ciclo è suddiviso tra due tipi di cellule. Con temperature elevate nelle piante C3, come il riso, la fotosintesi viene inibita perché gli enzimi responsabili del processo non riescono a distinguere tra anidride carbonica e ossigeno. Nelle piante C4, tipiche dei climi equatoriali, la fotosintesi avviene invece in due step, ognuno dei quali in una cellula separata. Un escamotage per tenere separati ossigeno ed enzimi e permettere la fotosintesi anche con temperature torride".
Perché si vuole dunque trasformare il riso da pianta C3 a C4?
"In questo modo il riso potrebbe continuare i processi di fotosintesi in modo più efficiente anche nel caso in cui le temperature siano elevate, eventualità sempre più frequente visti gli effetti dei cambiamenti climatici".
Quanto queste migliorie possono incrementare la produttività delle colture?
"Fare una stima generica è impossibile perché le condizioni cambiano da pianta a pianta e da paese a paese. Per quanto riguarda il lavoro che noi stiamo facendo con BarPlus siamo in grado di aumentare di un 10% la biomassa mantenendo costante la produttività di granella".
Insomma, anche se la vita sulla terra si è sviluppata grazie a questo meccanismo, ci sono ampi margini di miglioramento. E se si pensa che nel 2050 sul pianeta saremo 9 miliardi di persone, risulta evidente quanto importante sia incrementare la produttività dei campi, in maniera peraltro sostenibile. "Ci sono differenti strade percorribili per rendere più efficiente lo sfruttamento della luce solare. Basti pensare che in una giornata estiva una pianta utilizza solo la metà della radiazione solare che colpisce le foglie", spiega ad AgroNotizie Paolo Pesaresi, professore dell'Università statale di Milano e coordinatore del progetto europeo BarPlus (Incremento della biomassa e della resa di orzo attraverso la modifica dell'architettura della pianta e dell'efficienza fotosintetica).
In che cosa consiste il progetto BarPlus?
"L'obiettivo è quello di incrementare l'efficienza fotosintetica dell'orzo trasformandola in una coltura destinata a due filiere. Una mangimistica-alimentare, che sfrutta la granella. L'altra energetica, con l'utilizzo della paglia come fonte di biomassa. Nello specifico stiamo migliorando la cinetica di attivazione e inattivazione di un meccanismo che si chiama non-photochemical quenching".
Ci può spiegare in maniera semplice di che cosa si tratta?
"Quando le foglie vengono investite da una luce solare intensa non riescono a trasformarla in energia chimica. Anzi, l'eccesso di energia deve essere smaltito se la pianta vuole evitare fenomeni ossidativi dannosi per l'organismo. E così la espelle sotto forma di calore. Il problema è che questi meccanismi sono lenti ad essere attivati e disattivati e la pianta non riesce ad essere tempestiva nell'adeguarsi ai cambi di luminosità".
Ma durante una giornata quante volte può cambiare la luminosità?
"Più di quanto si pensi. Basta una nuvola o il vento che sposta le foglie per modificare la quantità di luce che impatta le foglie. Si calcola che migliorando la velocità di risposta della pianta si può ottenere un aumento del 10% dell'efficienza fotosintetica e quindi di produzione di biomassa. Un lavoro pubblicato su Science sul tabacco dimostra proprio quanto la pianta modificata cresca di più".
Queste migliorie alla fotosintesi vengono effettuate facendo ricorso alle biotecnologie?
"Nel nostro caso no, sfruttiamo l'enorme variabilità genetica che esiste in natura e quella che è stata indotta dall'uomo con processi di mutagenesi. Abbiamo a disposizione 450 varietà di orzo selezionate in tutto il mondo e grazie a tecnologie sofisticate siamo in grado di monitorare i geni responsabili di questo meccanismo di protezione. Le piante più interessanti sono state selezionate e i geni saranno trasferiti attraverso i normali incroci".
Migliorare la tempestività dei meccanismi di difesa delle piante è una via per ottimizzare la fotosintesi. Ce ne sono altre?
"Nella moderna agricoltura la densità di semina è molto elevata. Nei campi di frumento, come di riso o di mais, le foglie che ricevono effettivamente la luce del sole sono solo quelle superiori, mentre quelle inferiori sono costantemente in ombra. Si tratta di una condizione poco efficiente".
E come si può migliorare?
"C'è la possibilità di ridurre i pigmenti all'interno dei cloroplasti in modo che assorbano meno luce. Le foglie apparirebbero quindi di un verde sbiadito e lascerebbero passare una parte della radiazione luminosa che andrebbe a colpire le foglie poste più in basso. In questo modo si renderebbe più efficiente la fotosintesi della pianta, perché ci sarebbe una migliore distribuzione della luce sulla superficie fogliare, e si eviterebbero alle foglie poste in alto 'sovraccarichi' di energia".
Perché in natura, dove l'efficienza nell'utilizzo delle risorse è un fattore competitivo importante, non si sono sviluppati questi meccanismi?
"Perché in un ambiente incolto le piante competono in maniera spietata per ricevere la luce solare e quindi avere un verde scuro significa mettere in ombra le piante circostanti e quindi vincere la competizione. E' lo stesso motivo per cui il frumento in natura è alto oltre due metri. Ma in un campo coltivato questa competizione è priva di scopo. In questo senso stiamo anche lavorando sull'inclinazione delle foglie".
Ci può spiegare meglio?
"L'ideale sarebbe che le foglie poste più in alto, invece di essere disposte orizzontalmente al terreno, fossero perpendicolari. E che cambiassero l'angolo gradualmente, orientandosi parallelamente al terreno, avvicinandosi al suolo. Questo permetterebbe alla luce di penetrare molto più facilmente attraverso la chioma, consentendo un assorbimento più efficiente della radiazione luminosa. Per ottenere questo obiettivo stiamo lavorando sui geni che determinano l'angolo fogliare, cioè l'inclinazione dell'attaccatura della foglia al fusto".
La Fondazione Bill&Melinda Gates ha finanziato un programma di ricerca che mira a trasformare il riso da coltura C3 a C4, di che cosa si tratta?
"Semplificando il tema, che è molto complesso, si può dire che le piante possono essere divise in due grandi famiglie. Quelle C3, in cui la fotosintesi avviene all'interno di una medesima cellula. E quelle C4, dove invece il ciclo è suddiviso tra due tipi di cellule. Con temperature elevate nelle piante C3, come il riso, la fotosintesi viene inibita perché gli enzimi responsabili del processo non riescono a distinguere tra anidride carbonica e ossigeno. Nelle piante C4, tipiche dei climi equatoriali, la fotosintesi avviene invece in due step, ognuno dei quali in una cellula separata. Un escamotage per tenere separati ossigeno ed enzimi e permettere la fotosintesi anche con temperature torride".
Perché si vuole dunque trasformare il riso da pianta C3 a C4?
"In questo modo il riso potrebbe continuare i processi di fotosintesi in modo più efficiente anche nel caso in cui le temperature siano elevate, eventualità sempre più frequente visti gli effetti dei cambiamenti climatici".
Quanto queste migliorie possono incrementare la produttività delle colture?
"Fare una stima generica è impossibile perché le condizioni cambiano da pianta a pianta e da paese a paese. Per quanto riguarda il lavoro che noi stiamo facendo con BarPlus siamo in grado di aumentare di un 10% la biomassa mantenendo costante la produttività di granella".
