Minuscoli microbi del suolo potrebbero salvare i raccolti dai terreni agricoli salini

Un team di ricercatori, tra cui scienziati dell’Università dell’East Anglia (UEA) e guidato dal ricercatore cinese Dr. Yanfen Zheng, ha scoperto che i batteri presenti naturalmente nel suolo possono migliorare significativamente la capacità delle piante di sopravvivere in ambienti salini.

Lo studio ha inoltre rivelato un meccanismo finora sconosciuto con cui questi microbi proteggono colture come mais, pomodori e colza dallo stress salino. Questa scoperta potrebbe in futuro aiutare gli agricoltori a coltivare cibo su terreni diventati troppo salini per l’agricoltura convenzionale.

La salinità del suolo minaccia l’agricoltura globale

L‘accumulo di sale nei terreni agricoli sta diventando un problema sempre più grave a causa dei cambiamenti climatici, delle pratiche di irrigazione e dell’innalzamento del livello del mare.
Quando il sale si accumula nel terreno, ostacola la crescita delle piante, danneggia le radici e può ridurre drasticamente i raccolti.

Il professor Jonathan Todd, della Scuola di Scienze Biologiche dell’UEA e del Quadram Institute presso il Norwich Research Park, ha dichiarato: “L’accumulo di sale nei terreni agricoli è un problema grave e in peggioramento, causato dai cambiamenti climatici, dall’irrigazione e dall’innalzamento del livello del mare.

“Il sale soffoca la crescita delle piante, danneggia le radici e compromette gravemente interi raccolti, mettendo a rischio l’approvvigionamento alimentare globale.”

Sappiamo che le piante dipendono dalle comunità di microbi che vivono intorno alle loro radici, chiamate microbioma radicale, per far fronte allo stress ambientale. Tuttavia, il modo esatto in cui queste relazioni funzionano e se siano costanti tra le diverse colture e i diversi tipi di terreno è rimasto in gran parte sconosciuto.

“Abbiamo scoperto che le piante sembrano reclutare batteri benefici in condizioni di terreno salino, i quali a loro volta innescano cambiamenti interni che rafforzano la loro struttura fisica e la loro resistenza.”

“Se gli scienziati riusciranno a sfruttare questo processo naturale, potrebbe segnare l’inizio di una nuova era nell’agricoltura resiliente ai cambiamenti climatici.”

Microrganismi radicali attratti dalle piante stressate dal sale

Per comprendere meglio queste interazioni tra piante e microbi, i ricercatori hanno esaminato i microbiomi radicali di diverse specie coltivate in differenti tipi di terreno.

Hanno scoperto che un gruppo di batteri presenti in natura, noti come pseudomonadi, si accumulava costantemente intorno alle radici delle piante esposte a stress salino. Lo stesso schema si è ripresentato in diverse colture, tra cui mais, pomodoro e colza, suggerendo che si tratti di una risposta biologica diffusa piuttosto che di qualcosa di peculiare di una singola pianta.

Le analisi genetiche hanno inoltre spiegato perché questi batteri si sviluppano così bene in ambienti salini.

Il professor Todd ha affermato: “Rispetto ad altri microbi, gli pseudomonadi possiedono geni specializzati che li aiutano a tollerare alti livelli di sale, inclusi sistemi di trasporto del sodio e altri meccanismi di resistenza allo stress.”

Radici più robuste e rese più elevate

Il team ha quindi introdotto ceppi selezionati di Pseudomonas nelle piante di soia. Sia negli studi in serra che nelle prove in campo, i batteri hanno colonizzato con successo le radici e migliorato notevolmente la crescita delle piante in condizioni di salinità.

“Abbiamo scoperto che le piante trattate con i microbi presentavano apparati radicali più robusti, uno sviluppo migliore e rese più elevate rispetto alle piante non trattate coltivate in terreni salini”, ha affermato il professor Todd.

Una difesa vegetale inaspettata

I ricercatori sono rimasti sorpresi nello scoprire che i batteri non aiutavano le piante riducendo i livelli di sale all’interno dei loro tessuti.

“La cosa più sorprendente è stata scoprire come i batteri aiutassero le piante a sopravvivere.”

“Per decenni si è pensato che le piante sopravvivessero alla salinità controllando i livelli di sodio, ovvero impedendo l’ingresso di sali dannosi. Ma non abbiamo trovato alcuna prova che i batteri influenzassero il trasporto del sodio o l’equilibrio ionico.”

“Anziché aiutare direttamente le piante a gestire il sale, i batteri hanno stimolato la pianta a produrre una maggiore quantità di una sostanza chiamata lignina.”

“Le radici delle piante trattate con batteri hanno mostrato un aumento significativo del contenuto di lignina, con alcune misurazioni che hanno raggiunto oltre il 30% in condizioni di stress salino.”

La lignina rinforza le piante in modo naturale

La lignina è una sostanza legnosa e resistente che costituisce parte delle pareti cellulari delle piante. Agisce come un sistema di supporto naturale, rinforzando i tessuti vegetali e aiutandoli a resistere agli stress ambientali.

I ricercatori hanno identificato i geni chiave responsabili dell’aumento della produzione di lignina. Quando questi geni sono stati sovraespressi artificialmente, le piante hanno mostrato prestazioni nettamente migliori in terreni salini.

Al contrario, le piante incapaci di produrre lignina non hanno tratto beneficio dai batteri, a dimostrazione che la produzione di lignina è essenziale per l’effetto protettivo appena scoperto.

Il professor Todd ha dichiarato: “Ci auguriamo che questa scoperta apra nuove possibilità per l’agricoltura.

“Sfruttando i microbi presenti in natura, come gli pseudomonadi, si potrebbero sviluppare trattamenti di origine biologica che aiutino le colture a crescere in terreni salini senza l’impiego massiccio di sostanze chimiche.”

“Con vaste aree di terreni agricoli già colpite dalla salinizzazione e altre a rischio, le soluzioni microbiche potrebbero diventare uno strumento essenziale per mantenere le rese dei raccolti e garantire la sicurezza alimentare.”

I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Science Advances nell’articolo intitolato “I batteri del genere Pseudomonas associati alle piante sottoposte a stress salino facilitano l’adattamento allo stress della soia attraverso una maggiore biosintesi della lignina”.

Abstract

Il microbiota associato alle radici svolge un ruolo critico nella tolleranza delle piante allo stress salino. Tuttavia, la conservazione delle interazioni benefiche tra diverse colture e suoli e i meccanismi sottostanti rimangono poco chiari. Qui, mostriamo che gli pseudomonadi erano costantemente arricchiti nelle radici delle piante sottoposte a stress salino in diversi tipi di suolo e nella maggior parte delle specie coltivate. La genomica comparativa ha rivelato che questi pseudomonadi ospitavano firme genomiche uniche associate ad un’elevata tolleranza alla salinità, come Na ⁺ trasportatori. Gli isolati di Pseudomonas provenienti da piante sottoposte a stress salino hanno colonizzato in modo robusto le radici della soia e migliorato significativamente la tolleranza al sale sia in serra che in campo. La tolleranza allo stress salino delle piante dipendente da Pseudomonas è stata mediata dalla stimolazione della biosintesi della lignina delle piante piuttosto che dal meccanismo canonico di Na ⁺ omeostasi. La sovraespressione dei geni chiave della biosintesi della lignina nelle piante, tra cui GmCAD , GmCOMT e Gm4CL , ha migliorato significativamente la crescita della soia in condizioni di stress salino. Inoltre, le piante mutanti carenti nella biosintesi della lignina non mostravano più la tolleranza al sale indotta dai pseudomonadi. Nel complesso, i nostri risultati rivelano una via metabolica microbica precedentemente sconosciuta che aumenta la resilienza delle piante allo stress salino.