La rivoluzione olobiontica: come il grano sta diventando più resistente al clima grazie alla selezione delle piante basata sulla natura e all'apprendimento automatico
Focus sull'interazione tra il microbioma e le piante
I fertilizzanti azotati utilizzati in agricoltura contribuiscono in modo significativo al riscaldamento globale. Un nuovo concetto di selezione, specifico per il grano, potrebbe contribuire a ridurre la concimazione azotata. Il principio dell'olobionte pone le complesse interazioni tra piante e microbiomi del suolo al centro della selezione delle piante. In combinazione con l'apprendimento automatico, questo potrebbe portare all'uso di nuove varietà di grano, così come di altre colture, che sono più resistenti ai cambiamenti climatici e contribuiscono alla salute del suolo. Due recenti studi guidati da Wolfram Weckwerth dell'Università di Vienna sono stati pubblicati sulle riviste Plant Biotechnology e Trends in Plant Science.
Per aumentare l'offerta di cibo e mangimi, l'agricoltura intensiva ha fatto sempre più affidamento sui fertilizzanti azotati (N). Tuttavia, più della metà dell'azoto applicato annualmente alle colture finisce disperso nell'aria e nell'acqua. Queste perdite causano gravi problemi, tra cui l'inquinamento dell'aria e dell'acqua, l'acidificazione del suolo, i cambiamenti climatici, la riduzione dell'ozono stratosferico e la perdita di biodiversità. Di conseguenza, la riduzione della perdita di azoto dai terreni coltivati potrebbe aumentare i ritorni economici riducendo il fabbisogno di fertilizzanti, migliorare la salute umana e i servizi ecosistemici e contribuire a mitigare il cambiamento climatico.
Il concetto di olobionte: considerare piante e microbi come un'unità
Wolfram Weckwerth sottolinea che il miglioramento della resilienza e della resa delle colture in modo sostenibile non dovrebbe concentrarsi solo sulle piante, ma anche sul microbioma che circonda le loro radici e foglie. I microbiomi del suolo offrono anche opportunità per migliorare la fertilità del suolo e ridurre la dipendenza dai fertilizzanti sintetici. Egli osserva che: "L'evoluzione delle piante è in gran parte guidata dalle interazioni pianta-microbo, ma l'ecologia dell'olobionte vegetale non è ben compresa a livello molecolare. Tuttavia, queste relazioni presentano enormi vantaggi per l'agricoltura sostenibile. Pertanto, è fondamentale identificare varietà vegetali che producano inibitori naturali della nitrificazione, noti anche come inibitori biologici della nitrificazione (BNI), che sono essudati dalle radici nel suolo".
Il grano come metodo naturale per rallentare la perdita di azoto
In un recente studio, il team internazionale ha analizzato il potenziale di diverse cultivar di grano per la produzione di BNI che aiutano a controllare i processi di nitrificazione del suolo. Hanno riscontrato una pronunciata variazione naturale dell'attività BNI in diverse linee di grano d'élite.
"La nostra analisi degli essudati radicali, composti complessi rilasciati dal sistema radicale, mostra una variazione sostanziale tra le cultivar di grano", spiega Arindam Ghatak, primo autore dello studio. "Questi essudati promuovono o inibiscono specifiche composizioni del microbioma e permettono di selezionare ceppi con un'attività BNI particolarmente elevata". Coltivando queste linee BNI-attive, gli agricoltori potrebbero ridurre significativamente la necessità di fertilizzanti azotati in futuro. Si tratta di un passo significativo per mitigare l'interruzione del ciclo globale dell'azoto causata dall'uso eccessivo di fertilizzanti di origine antropica.
La selezione delle piante guidata dai dati per un futuro sostenibile
Per utilizzare efficacemente questa soluzione basata sulla natura, un team internazionale di scienziati guidati da Wolfram Weckwerth del Laboratorio di Biologia dei Sistemi Molecolari (MOSYS) e del Laboratorio di Biologia degli Archaea e Ecogenomica dell'Università di Vienna ha sviluppato un nuovo concetto di riproduzione. Con il supporto di istituzioni partner in Grecia, Australia, India, Giappone, Canada, Stati Uniti e Messico, il team pone il concetto di olobionte al centro della moderna selezione vegetale, concentrandosi sulle complesse interazioni tra piante e microbiomi del suolo. Attraverso un approccio innovativo basato sui dati, la genetica delle piante, gli studi sul microbioma e PANOMICS sono integrati per generare dati ad alto rendimento.
"In combinazione con gli algoritmi di apprendimento automatico, questo apre una promettente piattaforma di selezione per sviluppare nuove varietà di colture con un elevato potenziale BNI, una maggiore resilienza ai cambiamenti climatici e una migliore salute del suolo", spiega Weckwerth. Il concetto di olobionte segna quindi un cambiamento di paradigma: combina ecologia, biologia dei sistemi e tecnologia di selezione, evidenziando l'interconnessione degli ecosistemi e aprendo nuove strade verso un'agricoltura efficiente dal punto di vista delle risorse e resiliente al clima.
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Pubblicazione originale
Wolfram Weckwerth, Palak Chaturvedi, Arindam Ghatak, Melina Kerou, Vanika Garg, Abhishek Bohra, Guntur V. Subbarao, Lisa Stein, Christa Schleper, Rajeev K. Varshney, Sieglinde Snapp; "Natural variation of the holobiont for sustainable agroecosystems"; Trends in Plant Science, 2025
Arindam Ghatak, Alexandros E. Kanellopoulos, Cristina López-Hidalgo, Andrea Malits, Yuhang Meng, Florian Schindler, Shuang Zhang, Jiahang ... Evangelia S. Papadopoulou, Palak Chaturvedi, Wolfram Weckwerth: Natural variation of the wheat root exudate metabolome and its influence on biological nitrification inhibition activity. In Plant Biotechnology Journal, 2025.
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