I biologi dell'UC San Diego hanno identificato due percorsi chiave che le piante utilizzano per rispondere alle temperature elevate, fornendo approfondimenti critici che potrebbero aiutare a migliorare la resilienza delle colture di fronte al cambiamento climatico. Questo studio rivoluzionario ha implicazioni significative per l'agricoltura e la gestione delle risorse idriche.
In una svolta fondamentale con implicazioni di vasta portata per l'agricoltura e la produzione alimentare, i ricercatori dell'Università della California di San Diego hanno mappato gli intricati meccanismi impiegati dalle piante per far fronte all'aumento delle temperature. Questa scoperta potrebbe aprire la strada allo sviluppo di varietà di colture più resilienti, cruciali con l'intensificarsi del riscaldamento globale.
I pori stomatici, le aperture microscopiche sulle superfici delle foglie, svolgono un ruolo essenziale nella respirazione delle piante, regolando la perdita di acqua e l'assunzione di anidride carbonica. Osservazioni storiche, risalenti al XIX secolo, hanno notato che le piante allargano questi pori stomatici per raffreddarsi e sopravvivere alle ondate di calore. Tuttavia, le specificità genetiche e molecolari di questo processo sono rimaste elusive, fino ad ora.
La ricerca, guidata dallo studente di dottorato Nattiwong Pankasem e da Julian Schroeder, professore di scienze biologiche presso l'UC San Diego, identifica due distinti percorsi genetici che le piante attivano in risposta all'aumento delle temperature.
Le loro scoperte, pubblicato sulla rivista New Phytologist, forniscono un quadro dettagliato di questi percorsi.
"Con l'aumento delle temperature globali, c'è ovviamente una minaccia per l'agricoltura con l'impatto delle ondate di calore", ha affermato Schroeder in un comunicato stampa"Questa ricerca descrive la scoperta che l'aumento delle temperature provoca l'apertura degli stomi attraverso un percorso genetico (meccanismo), ma se il calore aumenta ulteriormente, allora c'è un altro meccanismo che entra in gioco per aumentare l'apertura degli stomi".
Per decenni, gli scienziati hanno lottato per individuare questi meccanismi a causa della natura complessa della misurazione delle risposte stomatiche e della difficoltà di isolare gli effetti della temperatura e dell'umidità.
L'approccio innovativo di Pankasem, che prevede un analizzatore di scambio di gas di nuova generazione e un metodo per mantenere costante la differenza di pressione di vapore (VPD) nelle foglie, ha finalmente reso possibile isolare e studiare queste risposte genetiche.
Le conclusioni hanno implicazioni profonde.
"Questo lavoro dimostra l'importanza della ricerca fondamentale guidata dalla curiosità per aiutare ad affrontare le sfide della società, costruire resilienza in settori chiave come l'agricoltura e, potenzialmente, far progredire la bioeconomia", ha affermato nel comunicato stampa Richard Cyr, direttore del programma presso la Direzione per le scienze biologiche della National Science Foundation degli Stati Uniti.
Lo studio ha identificato che a temperature moderatamente elevate, i sensori di anidride carbonica svolgono un ruolo cruciale. Questi sensori rilevano un rapido riscaldamento, che innesca una maggiore fotosintesi e riduce i livelli di anidride carbonica, stimolando l'apertura degli stomi. Tuttavia, in condizioni di calore estremo, un percorso secondario bypassa questi sensori. Questa risposta può portare a una diminuzione dell'efficienza della fotosintesi, facendo sì che le piante utilizzino più acqua per unità di anidride carbonica assorbita.
"L'impatto del secondo meccanismo, in cui le piante aprono i loro stomi senza ottenere benefici dalla fotosintesi, si tradurrebbe in una riduzione dell'efficienza nell'uso dell'acqua da parte delle piante coltivate", ha aggiunto Pankasem. "In base al nostro studio, è probabile che le piante richiedano più acqua per unità di CO2 preso in considerazione. Ciò potrebbe avere implicazioni dirette sulla pianificazione dell'irrigazione per la produzione di colture e sugli effetti su larga scala dell'aumentata traspirazione delle piante negli ecosistemi sul ciclo idrologico in risposta al riscaldamento globale".
Le implicazioni di questa scoperta sono significative. Fornisce una tabella di marcia per la ricerca futura volta a sviluppare varietà di colture in grado di resistere alle sfide doppie del calore e della scarsità d'acqua. Il lavoro in corso di Pankasem e Schroeder per chiarire ulteriormente le basi molecolari e genetiche di questi meccanismi di risposta al calore sottolinea il ruolo critico della ricerca fondamentale nella risoluzione di problemi del mondo reale.
Il team di ricerca comprende Po-Kai Hsu, Bryn Lopez e Peter Franks. Le loro continue indagini promettono di far progredire la nostra comprensione della biologia vegetale e di rafforzare la resilienza agricola in un futuro climatico incerto.