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Le piante coltivate utilizzano l’acqua per ottimizzare crescita e qualità delle produzioni. Cosa succederebbe però se a causa della crisi climatica incombente questa mancasse al punto da diventare il principale fattore limitante le coltivazioni? Attraverso piattaforme di marcatura del carbonio atmosferico e di analisi della traccia carbonica nelle diverse parti delle piante (radici, foglie, frutti), simuliamo situazioni attuali e futuribili riguardanti la disponibilità d’acqua.
I destini dell’acqua nei suoli e dell’anidride carbonica dell’aria s’incontrano e intrecciano all’interno delle piante. Grazie alla traspirazione, le piante cedono vapor d’acqua all’aria, e, contemporaneamente assimilano anidride carbonica dall’aria, attraverso gli stomi fogliari. Il carbonio inorganico dell’aria viene poi fissato nelle foglie (fotosintesi) e traslocato floematicamente (attraverso il floema, la parte più interna della corteccia, NdR) ai distretti di accumulo e consumo in radici, fusti, frutti e semi.
La via di acquisizione del carbonio atmosferico da parte delle piante, romanzata magistralmente nel racconto Carbonio de Il Sistema periodico di Primo Levi, è mantenuta aperta dalla perdita evaporativa di acqua fogliare. A catena, l’acqua delle foglie è sostituita da acqua xilematica, che proviene dall’assorbimento radicale di acqua del suolo. In questo continuo scambio d'acqua tra suolo e atmosfera, le cellule vegetali trattengono solo una minima parte di acqua, fulcro dei loro processi di crescita.
Ho iniziato a studiare le interazioni acqua/CO2 nelle piante durante il mio dottorato con Andrea Schubert orientato allo studio idraulico dei sistemi xilematici della vite, riducendo la scala d’indagine della mia tesi di Laurea in Agraria in cui avevo studiato le tecniche dell’ingegneria idraulica per la realizzazione di canalizzazioni irrigue col compianto professor Giovanni Tournon. In un periodo postdoc in Germania, i destini di acqua e CO2 si sono definitivamente uniti nelle mie ricerche, a scala ulteriormente inferiore: nel laboratorio biomolecolare di Ralf Kaldenhoff dell’Università di Darmstadt, abbiamo individuato per la prima volta le capacità delle acquaporine delle piante - speciali proteine che favoriscono lo scambio di acqua attraverso le membrane cellulari - di veicolare entrambe le molecole nelle membrane cellulari con risvolti funzionali che apparvero subito promettenti.
Oggi, nell’ambito di un Dottorato di Ricerca che sta portando a termine Davide Patono, abbiamo progettato e costruito al DISAFA di Torino una camera di crescita e marcatura del carbonio atmosferico per studiare la sua allocazione nelle radici, nei frutti, nei giovani germogli e nella rizosfera (Figura 1). Nella pratica, la CO2 presente naturalmente nell’aria della camera, chiusa ermeticamente, viene via via assimilata dalle piante presenti e sostituita con CO2 marcata (il cosiddetto labeling) contenente l’isotopo pesante non radioattivo del carbonio: l’isotopo 13C.
Possiamo quindi inseguire il destino di allocazione del carbonio marcato 13C nella pianta e nel suolo attraverso la tecnica pulse-chasing (ovvero marca e segui), messa a punto coi colleghi Daniel Said Pullicino e Davide Ricauda Aimonino.
L’isotopo assorbito dalle foglie con la fotosintesi funziona da quel momento in poi da tracciante dei flussi floematici, così come ipotizzava lo scrittore Isaac Asimov negli anni ’60, quando miniaturizzava una navicella spaziale per introdurla - e seguirla - nei flussi sanguigni di un uomo.
Alla struttura di labeling del carbonio affianchiamo un sistema di controllo ambientale e di crescita in cui le piante, sottoposte a cicli di stress idrico e reidratazione, sono avvolte da palloni di polietilene trasparenti con flussi d’aria modulabili al fine di registrare in continuo gli scambi gassosi tra pianta/suolo e atmosfera. Possiamo quindi valutare in continuo gli incrementi di vapor d’acqua (traspirazione), e le variazioni di CO2 a seguito di assimilazione fotosintetica o respirazione fogliare notturna, respirazione di radici, rizosfera e frutti, e fotorespirazione fogliare diurna (Figura 2).
Oggi le piattaforme sperimentali impiegate ci hanno permesso di capire come le piante coltivate siano in grado di organizzare le difese metaboliche e molecolari nei momenti di siccità per ottimizzare l'acqua che le reidrata periodicamente, e come questa alternanza sia alla base dell’ottenimento della qualità dei frutti che insegnano le pratiche agricole.
In situazioni di sempre maggiore scarsità dell’acqua in agricoltura, e in uno scenario di cambiamento del clima attuale e futuro, la comprensione di questi meccanismi adattativi diventa ogni giorno più strategica.
