Una pianta resistente alla siccità promette bene per la produzione alimentare futura, secondo uno studio
Per la prima volta, i ricercatori hanno dimostrato in una pianta intatta un processo a lungo contestato che permette ad alcune piante di riprendersi da una siccità prolungata. Il team di scienziati della Colorado State University, dell'Università del Colorado e del Dipartimento dell'Agricoltura degli Stati Uniti afferma che la comprensione di questa speciale caratteristica potrebbe migliorare la produttività agricola e la sicurezza alimentare.
Sean Gleason, scienziato dell'USDA Agricultural Research Service, utilizza uno scanner micro-CT in un laboratorio della Colorado State University per studiare le piante. La macchina consente a Gleason e ai suoi collaboratori della CSU di visualizzare i processi interni delle piante in modo non distruttivo.
John Eisele/Colorado State University
La siccità costa agli Stati Uniti miliardi di dollari in perdite agricole e aumento dell'irrigazione. La perdita di produttività riduce la disponibilità di cibo e fa aumentare i prezzi per i consumatori.
Quando una pianta si secca, il suo sistema di trasporto dell'acqua viene compromesso dalla formazione di blocchi di bolle di gas, o embolie, nei tessuti di trasporto dell'acqua della pianta - lo xilema. A seconda dell'entità dell'embolia, alcune piante non si riprendono mai.
Per riprendersi, le bolle di gas devono essere rimosse e il flusso d'acqua ripristinato attraverso un processo chiamato "riempimento". Gli scienziati delle piante sono divisi sul fatto che il riempimento avvenga o meno. La maggior parte delle prove a favore del riempimento si basa su metodi di studio distruttivi, in cui una pianta viene tagliata e l'acqua viene forzata nei tessuti a una pressione superiore a quella esistente in natura.
I ricercatori della CSU, della CU e dell'USDA hanno affermato che il taglio delle piante crea "artefatti", o sottoprodotti del metodo di studio, che in questo caso potrebbero causare embolie e portare a risultati imprecisi. Hanno invece utilizzato uno scanner micro-CT, una macchina a raggi X specializzata, per osservare i processi interni delle piante come avvengono in natura.
Il loro studio, pubblicato sulla copertina dell'edizione di aprile dei Proceedings of the National Academy of Sciences, ha riscontrato una completa inversione dell'embolia e il pieno recupero di un tipo di erba selvatica entro 24 ore dall'irrigazione.
"Questa è la prima prova convincente dell'inversione, o del riempimento, dell'embolia in una specie di pianta vascolare, con la pianta che riacquista il pieno recupero funzionale", ha dichiarato Sean Gleason, ricercatore dell'USDA Agricultural Research Service, affiliato alla CSU e coautore dell'articolo.
I ricercatori hanno iniziato a cercare altre piante con questa caratteristica per identificare il meccanismo genetico alla base. Una volta identificato, il meccanismo potrebbe essere potenzialmente inserito nelle colture, rendendole più resistenti alla siccità.
"Se una pianta è in grado di riprendersi rapidamente dalla siccità riempiendosi, allora potrebbe essere in grado di recuperare alcune perdite durante un anno di siccità", ha detto il coautore Troy Ocheltree, professore associato della CSU presso il Warner College of Natural Resources. "Se le piante sono in grado di riempirsi, questo potrebbe consentire una certa flessibilità nella quantità e nei tempi di irrigazione, anche se è necessario un ulteriore lavoro per identificare l'impatto del riempimento sull'uso dell'acqua da parte delle colture".
Soggetto dello studio
L'embolia si verifica in tutte le piante vascolari e studi precedenti hanno rilevato che l'embolia non può essere invertita in alcune piante, anche se queste possono continuare a funzionare a capacità ridotta una volta ripristinata l'acqua.
Per questo studio, l'autore principale Jared Stewart, ricercatore post-dottorato presso la CSU, la CU e l'USDA ARS, l'allora studente di M.S. della CSU Brendan Allen e l'allora dottoranda Stephanie Polutchko hanno esaminato un'erba che cresceva in un parcheggio per vedere se poteva essere un buon candidato per il loro esperimento. L'erba prosperava nelle fessure dell'asfalto caldo e asciutto, quindi hanno pensato che potesse essere resistente alla siccità.
Ebbene, nonostante l'aspetto morto e l'88% di tessuto xilematico embolizzato dopo un periodo prolungato di assenza d'acqua, il sistema di trasporto dell'acqua dell'erba si è ripreso letteralmente da un giorno all'altro.
Finora questa è l'unica specie conosciuta che si ricarica, ma i ricercatori pensano che probabilmente ce ne siano altre con questa caratteristica.
"Non sappiamo quanto sia comune", ha detto Ocheltree. "Ma il fatto di aver trovato nel parcheggio una pianta che si riempie mi fa pensare che probabilmente ce ne sono altre là fuori che si riempiono. Questo cambia la nostra mentalità".
Partnership e attrezzature chiave
Lo studio è stato facilitato da una collaborazione con il College of Veterinary Medicine and Biomedical Sciences della CSU, che dispone di uno scanner micro-CT per piccoli animali. Questa macchina specializzata emette meno radiazioni di molti scanner TC, consentendo scansioni ripetute senza danneggiare i soggetti.
Gleason ha detto che il supporto del personale di laboratorio e del ricercatore principale, la professoressa Nicole Ehrhart, direttrice del Center for Healthy Aging e del Laboratory of Comparative Musculoskeletal Oncology and Traumatology della CSU, è stato essenziale per lo studio. Laura Chubb, un tecnico di laboratorio, ha aiutato il team scansionando le piante all'inizio e poi ha addestrato Gleason a usare la macchina.
"La resilienza di questa umile erba - che ha rianimato il suo sistema vascolare in una notte - è stata sorprendente e profondamente convincente", ha detto Ehrhart. "Collaborazioni come questa ci ricordano quanto possa essere potente quando gli strumenti sviluppati per la ricerca biomedica vengono applicati in modi nuovi per rispondere a domande fondamentali sulla vita. Siamo stati entusiasti di contribuire a una scienza di tale impatto".
"Il dottor Ehrhart e Laura hanno reso possibile questo studio con la loro generosa offerta di aiutarci con le scansioni e di permetterci di usare il loro laboratorio di micro-TC", ha detto Gleason. "Senza di loro non avremmo potuto fare questa ricerca".
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