Una scoperta: il grano che produce il proprio fertilizzante
Il work-around batterico mira a ridurre l'inquinamento e gli agricoltori potrebbero risparmiare miliardi di euro
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Gli scienziati dell'Università della California, Davis, hanno sviluppato piante di grano che stimolano la produzione di fertilizzanti propri, aprendo la strada a un minore inquinamento dell'aria e dell'acqua in tutto il mondo e a costi inferiori per gli agricoltori.
La tecnologia è stata sperimentata da un team guidato da Eduardo Blumwald, illustre professore del Dipartimento di Scienze Vegetali. Il team ha utilizzato lo strumento di editing genico CRISPR per indurre le piante di grano a produrre una quantità maggiore di una delle sostanze chimiche presenti in natura. Quando la pianta rilascia la sostanza chimica in eccesso nel terreno, questa aiuta alcuni batteri del suolo a convertire l'azoto presente nell'aria in una forma che le piante vicine possono utilizzare per crescere. Questo processo di conversione è chiamato fissazione dell'azoto. Lo studio è stato pubblicato online su Plant Biotechnology Journal.
Nei Paesi in via di sviluppo, questa scoperta potrebbe essere un vantaggio per la sicurezza alimentare.
"In Africa, le persone non usano fertilizzanti perché non hanno soldi e le aziende agricole sono piccole, non più grandi di sei o otto acri", ha detto Blumwald. "Immaginate di piantare colture che stimolano i batteri nel terreno a creare il fertilizzante di cui le colture hanno bisogno, in modo naturale. Wow! È una grande differenza!".
La scoperta sul grano si basa sul precedente lavoro del team sul riso. Sono in corso ricerche per estendere questa tecnologia ad altri cereali.
A livello mondiale, il grano è la seconda coltura cerealicola per resa e assorbe la maggior parte dei fertilizzanti azotati, utilizzando circa il 18% del totale. Secondo i dati dell'Organizzazione delle Nazioni Unite per l'alimentazione e l'agricoltura, solo nel 2020 sono stati prodotti più di 800 milioni di tonnellate di fertilizzanti.
Ma le piante assorbono solo il 30-50% dell'azoto contenuto nei fertilizzanti. Gran parte di quello che non utilizzano si riversa nei corsi d'acqua e può creare "zone morte" prive di ossigeno, soffocando pesci e altre forme di vita acquatica. Una parte dell'azoto in eccesso nel terreno produce protossido di azoto, un potente gas che riscalda il clima.
La soluzione: Proteggere il fissatore
I batteri azotofissatori producono un enzima chiamato nitrogenasi, il "fissatore" della fissazione dell'azoto. La nitrogenasi si trova solo nei batteri e può funzionare solo in ambienti con pochissimo ossigeno.
I legumi, come i fagioli e i piselli, hanno strutture radicali, chiamate noduli, che offrono ai batteri azotofissatori un ambiente accogliente e povero di ossigeno.
A differenza dei legumi, il grano e la maggior parte delle altre piante non hanno noduli radicali. Per questo motivo gli agricoltori utilizzano fertilizzanti contenenti azoto.
"Per decenni gli scienziati hanno cercato di sviluppare colture di cereali che producessero noduli radicali attivi o di colonizzare i cereali con batteri che fissano l'azoto, senza molto successo. Noi abbiamo usato un approccio diverso", ha detto Blumwald. "Abbiamo detto che la posizione dei batteri azotofissatori non è importante, purché l'azoto fissato possa raggiungere la pianta e la pianta possa utilizzarlo".
Per trovare una soluzione, il team ha prima esaminato 2.800 sostanze chimiche che le piante producono naturalmente. Ne hanno trovate 20 che, tra le altre funzioni utili alla pianta, stimolano anche i batteri a produrre biofilm. I biofilm sono uno strato appiccicoso che circonda i batteri e crea un ambiente a bassa ossigenazione, permettendo alla nitrogenasi di lavorare. Gli scienziati hanno determinato come la pianta produce queste sostanze chimiche e quali geni controllano questo processo.
Quindi, il team ha utilizzato lo strumento di editing genico CRISPR per modificare le piante di grano in modo che producessero una maggiore quantità di una di queste sostanze chimiche, un flavone chiamato apigenina. Il grano, che ora ha più apigenina di quanta ne abbia bisogno, rilascia l'eccesso attraverso le radici nel terreno. Negli esperimenti condotti, l'apigenina del grano ha stimolato i batteri del terreno a creare biofilm protettivi, permettendo alla nitrogenasi di fissare l'azoto e alle piante di grano di assimilarlo.
Il grano ha anche mostrato una resa maggiore rispetto alle piante di controllo quando è stato coltivato con una concentrazione molto bassa di fertilizzante azotato.
Gli agricoltori potrebbero risparmiare miliardi
Secondo le stime del Dipartimento dell'Agricoltura degli Stati Uniti, nel 2023 gli agricoltori avrebbero speso quasi 36 miliardi di dollari in fertilizzanti. Blumwald calcola che quasi 500 milioni di acri negli Stati Uniti sono coltivati a cereali.
"Immaginate se si potesse risparmiare il 10% della quantità di fertilizzanti utilizzati su quei terreni", ha riflettuto. "Sto facendo un calcolo prudente: Dovrebbe essere un risparmio di oltre un miliardo di dollari ogni anno".
Tra gli altri autori figurano Hiromi Tajima, Akhilesh Yadav, Javier Hidalgo Castellanos, Dawei Yan, Benjamin P. Brookbank e Eiji Nambara.
L'Università della California ha depositato una domanda di brevetto che è in corso di registrazione. Bayer Crop Science e la UC Davis Will Lester Endowment hanno sostenuto la ricerca.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
Pubblicazione originale
Hiromi Tajima, Akhilesh Yadav, Javier Hidalgo Castellanos, Dawei Yan, Benjamin P. Brookbank, Eiji Nambara, Eduardo Blumwald; "Increased Apigenin in
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