Nei prossimi decenni, l'umanità dovrà sfamare miliardi di persone in più su un pianeta sotto pressione. ondate di calore estreme, siccità intense e terreni degradatiIn questo scenario, il modo in cui coltiviamo e comprendiamo le piante sta cambiando rapidamente e uno degli ambiti di ricerca più affascinanti è quello delle cosiddette "piante che respirano azoto".
Dietro questa idea sorprendente si nasconde una sfida gigantesca: far sì che le colture siano in grado di sfruttare l'azoto dall'aria e ridurre la dipendenza dai fertilizzanti chimiciMentre si adattano a un clima più caldo, più secco e più variabile, centri leader come il Centre for Plant Biotechnology and Genomics (CBGP) sono già pienamente impegnati in questa sfida, combinando biotecnologia, ecologia e agricoltura sostenibile per sostenere la produzione alimentare in un mondo in continuo cambiamento.
Perché l'azoto è così importante per le piante?
Può sembrare esagerato, ma senza azoto non ci sarebbe la vita come la conosciamo, perché questo elemento è fondamentale per la formazione delle piante. proteine, enzimi e pigmenti necessari per la fotosintesiSenza una fonte adeguata di azoto, una coltura non può crescere bene, produrre biomassa o offrire rese accettabili.
Sebbene l'aria che respiriamo sia composta da circa un 78% di azoto gassoso (N₂)Le piante non possono utilizzarlo direttamente. L'azoto atmosferico è molto stabile e la maggior parte degli esseri viventi non possiede gli strumenti biochimici per scomporre questa molecola e trasformarla in composti utilizzabili come l'ammonio o il nitrato.
In condizioni naturali, le piante ottengono l'azoto principalmente dal terreno, sotto forma di ioni nitrato (NO₃⁻) e ammonio (NH₄⁺)Questi nutrienti provengono dalla decomposizione della materia organica o dai processi di fissazione biologica operati dai microrganismi. Quando il terreno è povero di azoto, le piante soffrono di clorosi, crescono male e la loro produttività crolla.
Per compensare questa limitazione, l'agricoltura moderna si è affidata a fertilizzanti sintetici che forniscono grandi quantità di azoto. Il problema è che il modello è diventato insostenibile a causa dell'elevato consumo energetico, dell'impronta di carbonio e dell'inquinamento del suolo, dell'acqua e dell'atmosfera associati all'uso eccessivo di fertilizzanti chimici.
Gran parte della ricerca attuale si concentra sulla comprensione e sul migliore sfruttamento delle strategie naturali attraverso le quali alcuni organismi e alcune associazioni pianta-microbo sono in grado di per fissare l'azoto atmosferico e renderlo disponibile agli ecosistemi.
Fissazione biologica dell'azoto: il trucco dei batteri
Mentre le piante non possono utilizzare direttamente l'azoto gassoso, alcuni batteri possono, grazie a un un enzima altamente specializzato chiamato nitrogenasiQuesta proteina è in grado di scomporre l'N₂ atmosferico e trasformarlo in composti azotati che, col tempo, entrano a far parte della catena alimentare.
Questi batteri azotofissatori si trovano sia liberamente nel terreno che in stretta associazione con le radici di alcune specie vegetali. Alcuni di essi stabiliscono relazioni simbiotiche molto strette con le piante, vivendo all'interno di strutture speciali che si formano nelle radici e consentono uno scambio di risorse molto finemente calibrato.
Nelle cosiddette piante simbiotiche azotofissatrici, la pianta ospita i batteri e fornisce loro gli zuccheri ottenuti tramite la fotosintesi, mentre il microrganismo ricambia il favore. fornire “nuovo” azoto dall’atmosferaQuesto scambio è così efficiente che riesce a coprire gran parte del fabbisogno della coltura e ad arricchire il terreno per le piante future.
Quando queste piante associate ai batteri completano il loro ciclo vitale e i loro resti vengono incorporati nel terreno, l'azoto che avevano accumulato nei loro tessuti viene rilasciato attraverso un processo noto come mineralizzazione dell'azotoLa materia organica si decompone e l'azoto organico si trasforma in ammonio e nitrato, forme che altre piante possono assorbire facilmente.
Pertanto, le comunità vegetali che includono fissatori di azoto svolgono un ruolo cruciale nella fertilità naturale di molti ecosistemi e sistemi agricoliriducendo la necessità di fornire così tanto fertilizzante esterno.
Piante che “respirano” azoto: leguminose, noduli e simbiosi
Il gruppo di piante più noto associato ai batteri azotofissatori è quello dei legumi, una famiglia enorme che comprende colture di uso quotidiano come piselli, fagioli, lenticchie, ceci, fave o trifoglioNel corso dell'evoluzione, queste specie hanno sviluppato la capacità di formare noduli sulle radici per fornire riparo a specifici batteri.
In questa relazione, la pianta emette segnali chimici nella zona radicale che attraggono determinati batteri del suolo in grado di fissare l'azoto. Una volta stabilito il contatto, la radice inizia a formarsi. strutture specializzate chiamate noduliche agiscono come piccoli “reattori biologici” protetti, dove i batteri vivono e lavorano in condizioni adatte.
All'interno di questi noduli, i batteri fissano l'azoto atmosferico e lo trasformano in composti azotati che fluiscono nella pianta, mentre la pianta invia zuccheri e altri composti ai batteri per mantenerli attivi. Sebbene questi microrganismi non eseguano la fotosintesi, dipendono dalla energia chimica generata dalla pianta grazie alla luce solare.
Il risultato pratico è che la coltura ottiene una fonte continua di azoto senza bisogno di così tanti fertilizzanti esterni, e parte di quell'azoto rimarrà nel terreno quando la pianta muore o quando i resti della pianta vengono incorporati attraverso pratiche agricole. Infatti, La decomposizione dei resti di legumi arricchisce notevolmente il contenuto di azoto del terreno.
Questo meccanismo spiega perché i legumi vengono spesso utilizzati nelle rotazioni colturali o come concimi verdi: non solo producono cibo, ma aiutano anche a per migliorare la fertilità del terreno e sostenere sistemi agricoli più sostenibili a medio e lungo termine.
Distribuzione e diversità delle piante azotofissatrici
Il ruolo ecologico delle piante associate ai batteri azotofissatori è così importante che diversi team scientifici ne hanno studiato in dettaglio la distribuzione su larga scala. Negli Stati Uniti, ricercatori di vari centri, come Museo di storia naturale della Florida e università della Louisiana e del MississippiHanno analizzato i dati relativi alle specie autoctone e invasive in decine di località per comprendere meglio questo schema.
A prima vista, si potrebbe pensare che nei terreni poveri di azoto ci debba essere maggiore abbondanza e diversità di piante che fissano il suolopoiché il suo vantaggio competitivo sarebbe maggiore in ambienti limitati da questo nutriente. Tuttavia, un'analisi dettagliata smentisce significativamente questa idea apparentemente logica.
Confrontando diverse regioni, i ricercatori hanno osservato che il numero di piante che fissano l'azoto tendeva a aumento delle aree con meno azoto disponibile nel suoloCiò è in linea con l'ipotesi classica. Ma hanno anche osservato che, con l'inaridimento degli ambienti, la presenza complessiva di queste piante è diminuita.
La scoperta più sorprendente è stata che, quando hanno esaminato la diversità dei fissatori di azoto nativi, hanno rilevato un modello diverso: La diversità delle specie autoctone che fissano il suolo è cresciuta notevolmente nel regioni arideindipendentemente dalla quantità di azoto presente nel terreno. In altre parole, dove le condizioni idriche sono più rigide, la varietà di piante autoctone che fissano l'azoto può essere molto ampia.
Questi risultati dimostrano che, su larga scala, la distribuzione delle piante che ospitano batteri azotofissatori dipende non solo dall'azoto del suolo, ma da una complessa combinazione di fattori quali disponibilità di acqua, storia evolutiva e dinamiche delle comunità vegetaliComprendere questi modelli è fondamentale per progettare sistemi agricoli più adatti a ciascuna regione.
Il ruolo del CBGP: la biotecnologia vegetale di fronte al cambiamento climatico
Mentre si stanno facendo progressi nella comprensione ecologica delle piante che fissano le radici, centri di ricerca come il Centro per la biotecnologia e la genomica vegetale (CBGP), legati all'Università Politecnica di Madrid, stanno puntando su un altro fronte: adattare le colture al clima estremo che stiamo già vivendo e che si intensificherà nei prossimi decenni.
Le previsioni indicano che entro la metà del secolo, circa 9.700 milioni di persone su un pianeta più caldo, più secco e soggetto a eventi meteorologici estremi molto più frequenti. Il 2024 è già stato uno degli anni più caldi mai registrati e in Europa decine di migliaia di morti sono state collegate alle ondate di calore, con la Spagna tra i Paesi più colpiti.
Dato questo scenario, al CBGP studiano in modo completo come crescono le piante, come interagiscono con i microrganismi nel loro ambiente e come rispondono ai cambiamenti ambientali, come l'aumento della temperatura, la siccità prolungata o la salinizzazione dei terreni agricoli.
Uno degli obiettivi principali del centro è quello di sviluppare nuove varietà di colture o di selezionare tra quelle esistenti quelle in grado di mantenere rese accettabili in condizioni di stress ambientaleCiò implica non solo tollerare condizioni avverse, ma anche farlo senza dipendere troppo da fattori esterni come fertilizzanti e acqua.
Per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori analizzano i meccanismi molecolari che consentono ad alcune piante di resistere meglio agli stress ambientali. Identificano proteine di difesa, vie di segnalazione e geni chiave che vengono attivati in condizioni estreme e utilizzano queste informazioni per generare quelle che chiamano "prove di concetto".
In questi test, vengono create piante transgeniche che accumulano determinate proteine o attivano specifici meccanismi di tolleranza, per verificare se effettivamente migliorano le loro prestazioni di fronte a siccità, calore o salinità. In questo modo, Validano sperimentalmente quali strategie sono più efficaci. prima di prendere in considerazione un'applicazione su larga scala.
Colture più resilienti: pomodori, brassicacee e sicurezza alimentare
Uno dei risultati più significativi di questo approccio è stato lo sviluppo di piante di pomodoro con elevata tolleranza al saleQuesto è un problema sempre più comune nelle aree agricole, dove l'irrigazione e l'intensa evaporazione concentrano i sali nel terreno. Il team del CBGP ha sviluppato varietà transgeniche più resistenti a questi livelli di sale.
Questi pomodori resistenti hanno già dato origine a un Domanda di brevetto europeoL'idea è di estendere la tecnologia ad altre colture particolarmente sensibili alla salinità, come piselli, fagioli, mais o fragole. In caso di successo, ciò rappresenterebbe un enorme vantaggio nelle aree in cui l'acqua per l'irrigazione è di qualità limitata o i terreni sono degradati.
Allo stesso tempo, il gruppo sta lavorando per trasferire questi progressi alle cosiddette brassicacee, una famiglia di piante che comprende cavolo, broccoli e altre verdure essenziali nella dieta. Aumentare la resilienza di questi ortaggi di base significherebbe salvaguardare una parte molto importante della sicurezza alimentare in un contesto climatico incerto.
Tuttavia, non è così semplice come introdurre proteine di difesa e basta. Molte di queste proteine appartengono a famiglie che contengono anche allergeni alimentariCiò richiede l'adozione di precauzioni aggiuntive. Non tutte le proteine immunitarie sono allergeniche, ma alcune possono scatenare reazioni in individui sensibili.
Per questo motivo, il CBGP ha un team specializzato in allergeni che valuta attentamente queste proteine. Il loro lavoro si concentra sull'identificazione Quali caratteristiche strutturali rendono una proteina un potenziale allergene? e quali no, in modo da poter progettare soluzioni biotecnologiche sicure per il consumo umano.
Questo approccio rigoroso è essenziale affinché l'innovazione nelle colture geneticamente modificate o migliorate abbia un posto reale nel mercato, garantendo la sicurezza alimentare e sviluppo responsabile di nuove varietà che aiutano ad affrontare il cambiamento climatico senza creare ulteriori problemi.
Verso cereali che “respirano” l’azoto dall’aria
Tra i progetti più ambiziosi portati avanti dal CBGP, spicca quello guidato dal ricercatore. Luis Rubiofinanziato dalla Fondazione Gates. Il suo obiettivo è tanto semplice da spiegare quanto difficile da raggiungere: rendere i cereali capaci di per catturare e metabolizzare l'azoto dall'ariariducendo drasticamente la dipendenza dai fertilizzanti chimici.
A differenza dei legumi, le colture di base come riso, grano o mais non formano naturalmente associazioni simbiotiche così potenti con i batteri azotofissatori. Né possiedono il meccanismo interno per fissare N₂ da soli, poiché Mancano dell'enzima nitrogenasi che alcuni batteri possiedono.
Il team di Rubio utilizza come modello un batterio che fissa l'azoto legato al lievito di birra, noto come Azotobacter vinelandii (spesso travisati in alcuni media), capaci di fissare l'azoto in modo efficiente. L'idea è quella di trasferire i geni coinvolti nella fissazione dell'azoto da questi batteri alle piante.
In laboratorio, i ricercatori stanno lavorando all'introduzione e all'espressione coordinata di questi geni batterici nelle cellule vegetali, con l'obiettivo di consentire ai cereali di attivare internamente un sistema funzionale di fissazione dell'azotoSi tratta di una sfida enorme, perché la nitrogenasi è molto complessa ed estremamente sensibile all'ossigeno, quindi necessita di condizioni molto specifiche per funzionare.
Se questo obiettivo venisse raggiunto, anche solo in parte, potrebbe rappresentare una rivoluzione per l’agricoltura mondiale: i cereali potrebbero soddisfare da soli gran parte del loro fabbisogno di azoto, riducendo l’uso di fertilizzanti di sintesi e, di conseguenza, la inquinamento del suolo, dell'acqua e dell'aria associato alla sua produzione e applicazione.
Fertilizzanti chimici e sostenibilità agricola
Attualmente, i fertilizzanti azotati sono essenziali per sostenere alte rese dell' produzione globale di cerealiGrazie a loro è stato possibile sfamare una popolazione in continua crescita, ma questa dipendenza ha un costo ambientale sempre più difficile da sostenere.
La sintesi industriale dei fertilizzanti consuma grandi quantità di energia ed emette gas serra; il loro uso intensivo nei campi provoca inquinamento atmosferico da emissioni di ossidi di azoto e ammoniacae il deflusso trasporta i nitrati nei fiumi, nelle falde acquifere e nei mari, favorendo processi come l'eutrofizzazione.
Inoltre, l'uso eccessivo di fertilizzanti e alcune pratiche di gestione possono accelerare il degrado dei suoli agricoliriducendo la loro capacità di trattenere acqua e nutrienti e intrappolando gli agricoltori in un circolo vizioso di dipendenza da input esterni.
Secondo i ricercatori del progetto sui cereali autofertilizzanti, una diminuzione significativa dell'uso di questi fertilizzanti potrebbe aprire la strada a un un'agricoltura molto più sostenibileMeno fertilizzanti significano meno emissioni associate alla loro produzione, meno inquinamento delle acque e maggiori possibilità di recuperare terreni degradati.
L'obiettivo finale è quello di sviluppare varietà di riso, grano e mais capaci di in gran parte autofecondantiutilizzando l'azoto atmosferico come fonte primaria. Tuttavia, il team stesso riconosce che si tratta di un obiettivo di enorme complessità tecnologica, che richiederà probabilmente decenni di ricerca prima di essere implementato su larga scala sul campo.
Infrastrutture all'avanguardia: serre e rizotroni
Per realizzare questi progetti, il CBGP dispone di strutture di circa 1.900 m² dedicati alla coltivazione di piante in condizioni controllateElemento centrale di questa infrastruttura è una serra di circa 1.200 m² dotata di sistemi avanzati di climatizzazione e illuminazione.
Queste serre consentono la coltivazione di diverse specie di interesse agrario o modelli sperimentali in condizioni di temperatura e umidità perfettamente regolate. temperatura, luce, umidità e composizione del substratoCiò consente di riprodurre scenari di stress causati da calore, siccità o salinità per valutare il comportamento di piante modificate o selezionate.
La struttura è dotata di moduli di contenimento di tipo P2 specificamente progettati per lavorare con piante transgeniche. All'interno di questi spazi, la temperatura può essere controllata in un ampio intervallo, approssimativamente tra 10 e 45ºC, un elemento fondamentale per simulare ondate di calore o condizioni di freddo moderato.
Inoltre, la serra incorpora un sistema di fenotipizzazione digitale automatizzata Con robot che si muovono lungo i corridoi per acquisire immagini e dati dalle piante. Questo sistema consente il monitoraggio preciso e su larga scala di aspetti quali la crescita, lo stato idrico e la gravità dei sintomi di stress.
Un altro elemento molto interessante dell'infrastruttura sono i cosiddetti rizotroni, strutture composte da piastre trasparenti che espongono l'apparato radicaleGrazie a loro è possibile ottenere immagini dettagliate delle radici, misurarne la crescita e lo spessore e analizzare la loro risposta a diversi prodotti o condizioni ambientali.
La combinazione di queste serre controllate, sistemi di analisi robotica e rizotroni rende il centro un ambiente ideale per Testare nuove varietà e tecnologie prima di ampliarne l'usoInoltre, queste strutture non sono riservate esclusivamente ai team interni: sono aperte anche a progetti di altre organizzazioni pubbliche e private interessate a rispondere alle sfide agricole del futuro.
Tutta questa ricerca sulle proteine di resistenza, sulle simbiosi azotofissatrici e sui cereali capaci di utilizzare l’azoto atmosferico punta verso un modello agricolo in cui le piante Lavorano più a stretto contatto con i microrganismi e con la propria biologia. Produrre di più con meno input esterni. Sebbene molti di questi obiettivi richiederanno anni o decenni per diventare realtà su larga scala, ogni progresso ci avvicina un po' di più alla possibilità di coltivazioni che, in senso figurato, "respirino" l'azoto dall'aria e sostengano le scorte alimentari globali su un pianeta sottoposto a pressioni climatiche.
