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“Can bean yield losses caused by drought, heat stress and climate change be ameliorated by enhancing pod-specific stomatal conductance?”

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Fagioli resilienti al clima per ridurre il consumo idrico

I fagioli forniscono sostanze nutritive di alta qualità in tutta l’America latina, sebbene quest’area sarà soggetta a siccità e ondate di calore come conseguenza dei cambiamenti climatici. Al momento, alcuni scienziati sono impegnati in una corsa contro il tempo volta alla creazione di colture di fagioli più forti e resilienti al clima per contribuire alla sicurezza alimentare della regione.

Cambiamento climatico e Ambiente
Alimenti e Risorse naturali

La maggior parte delle coltivazioni di fagioli si basa sull’agricoltura pluviale, senza ricorrere all’irrigazione. Risulta pertanto possibile la perdita fino all’80 % delle colture in concomitanza con la precoce insorgenza della siccità stagionale, provocando un’impennata considerevole del prezzo e dell’esigenza di importare fagioli dall’estero. Una soluzione risiede nella produzione a livello locale di fagioli con una maggiore resistenza ai cambiamenti climatici. Il progetto Pod Yield, intrapreso con il sostegno del programma Marie Skłodowska-Curie, ha condotto analisi comparative di carattere fisiologico e genetico relative alle risposte alla siccità del fagiolo comune e del fagiolo tepari delle zone aride. Gli scienziati hanno incorporato le loro osservazioni nei nuovi fagioli al fine di sperimentare tecniche di prova di concetto per il miglioramento dell’impiego delle risorse idriche nei legumi. In primo luogo, gli scienziati hanno definito le differenze nelle risposte alla siccità di foglie e baccelli confrontando il fagiolo comune al fagiolo tepari mediante l’impiego di disidratazione epidermica (perdita di acqua), analisi di crescita e resa a livello della pianta intera e spettroscopia terahertz. «La caratterizzazione delle risposte alla siccità tramite analisi evolutive, fisiologiche e trascrittomiche ci ha permesso di comprendere alcuni approcci divergenti relativi alla resilienza allo stress idrico», commenta Caspar Chater, borsista di ricerca del programma di azioni Marie Skłodowska-Curie.

Il ruolo svolto dagli stomi nella resilienza alla siccità

È possibile migliorare il livello di efficienza nell’impiego delle risorse idriche alterando alcuni tratti, tra cui la dimensione e la densità degli stomi dei fagioli. Gli stomi sono valvole microscopiche presenti sulla superficie delle foglie e dei baccelli che controllano la perdita dell’acqua e l’assorbimento della CO2 per la fotosintesi. «Abbiamo paragonato i tratti stomatici nei fagioli per poi utilizzare queste informazioni allo scopo di potenziare la resilienza alla siccità creando colture di fagioli “intelligenti dal punto di vista climatico” per l’agricoltura latinoamericana», spiega Chater. Le densità stomatiche ridotte rilevate nei fagioli tepari comportano una conservazione a più lungo termine dell’acqua e una conduttanza stomatica prolungata in condizioni di siccità. In questo modo, i fagioli tepari danno prova di conservare l’acqua e di mantenere lo scambio di gas e i meccanismi di raffreddamento tramite evaporazione più a lungo in assenza di acqua rispetto al fagiolo comune. Inoltre, i risultati hanno dimostrato che i fagioli tepari riescono a preservare meglio i propri semi in presenza di siccità. «Reputiamo che ciò sia legato alla capacità del fagiolo tepari di prolungare lo scambio di gas e di fissare il carbonio più a lungo in condizioni più estreme di carenza di acqua», osserva Chater.

Maggiore tolleranza grazie all’ingegneria genetica

Il gruppo responsabile del progetto ha analizzato le differenze nell’espressione genica tra il fagiolo comune e il fagiolo tepari per quanto riguarda le foglie e i baccelli giovani durante la siccità tramite la produzione e il sequenziamento di 24 librerie di RNA. Ciò comprendeva lo studio dei geni di modellazione epidermica potenzialmente coinvolti nello sviluppo degli stomi nei fagioli tepari. I fattori di modellazione epidermica (EPF, Epidermal Patterning Factor) sono piccoli segnali di peptidi secreti ricchi di cisteina che influiscono sullo sviluppo stomatico. Un eccesso di fattori EPF1 o EPF2 riduce la densità stomatica in molte piante, potenziando l’efficienza nell’uso dell’acqua e la tolleranza alla siccità. Gli scienziati hanno condotto prove per capire se il fattore EPF fosse in grado di fornire questa capacità al fagiolo comune. Essi hanno quindi individuato diversi geni simili ai fattori EPF nel fagiolo comune per poi sviluppare e verificare i costrutti di sovraespressione dei fattori EPF nella pianta presa a modello per le prove di laboratorio, ovvero l’arabetta comune. «Gli esperimenti hanno portato a riduzioni nella proporzione di stomi sulla superficie epidermica (indice stomatico), suggerendo che i fattori EPF del fagiolo potrebbero essere i regolatori dello sviluppo stomatico nelle specie di fagioli», commenta Chater. I geni hanno permesso agli scienziati di modificare le proprietà di scambio di gas dei legumi per migliorare l’efficienza nell’uso dell’acqua e la tolleranza alla siccità. Gli scienziati hanno clonato e manipolato questi geni presenti nei fagioli per la produzione di piante con un numero inferiore di stomi e un minore bisogno di acqua. «Grazie al miglioramento nell’utilizzo dell’acqua nelle colture di fagioli, il progetto Pop Yield promuove l’affermazione di sistemi di produzioni più resilienti in presenza di cambiamenti climatici, rafforzando la sicurezza economica delle aziende agricole e mantenendo sostenibili le fonti di alimenti sani», conclude Chater.

Parole chiave

Pod Yield, fagiolo, acqua, stomi, siccità, fagiolo tepari, EPF, fagiolo comune, fattori di modellazione epidermica

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