Andare alla radice di raccolti migliori

Per nutrire tutti, la produzione dei raccolti deve raddoppiare, sopportando allo stesso tempo gli effetti dei cambiamenti climatici - come una disponibilità d'acqua ridotta in molte parti del mondo - e cercando di ridurre le conseguenze negative dei fertilizzanti agricoli.

Abbiamo bisogno di colture alimentari che producano raccolti migliori sfruttando e assorbendo l'acqua e i nutrienti in modo più efficiente. "Per 10 000 anni, l'agricoltura si è concentrata sulla parte superiore delle piante", spiega il prof. Bennett. Ora dobbiamo guardare sottoterra.

L'acqua e i nitrati tendono a penetrare in profondità nel terreno, mentre i fosfati sono presenti nella parte più alta, vicino alla superficie. Se riusciremo a scegliere e coltivare varietà di colture che esplorano la parte superiore del terreno più efficacemente e mandano le loro radici più a fondo, allora saremo in grado di produrre più cibo e ridurre la quantità di fertilizzanti necessaria.

È una specie di "problema di ingegneria", ma per risolverlo dobbiamo capire i geni che regolano tratti della radice come l'angolo, la profondità e la densità.

Studiare il sistema delle radici - la "parte nascosta" - è molto più complicato rispetto a studiare la parte superiore della pianta. Si possono coltivare in condizioni artificiali in laboratorio o estrarre dal terreno, ma in una pianta vivente le radici sono sottoterra e difficili da raggiungere. "Il progetto FUTUREROOTS intende migliorare la tecnologia per misurare e analizzare queste architetture di radici", spiega il prof. Bennett.

Recentemente gli scienziati sono riusciti a visualizzare radici vive in modo non invasivo mentre continuavano a crescere nel terreno. La tomografia computerizzata (TC) a raggi X è più conosciuta come tecnica di scansione in ambito medico e produce immagini dell'interno del corpo umano. I progressi compiuti dalla tecnologia permettono adesso di usarla per studiare i più sottili filamenti delle radici.

"Finora potevamo però scannerizzare tramite TC solo piccoli volumi di terreno - spiega il professore - tipo delle dimensioni di una tazzina da caffè, ma questo non basta per studiare le radici profonde delle piante".

Visione a raggi X

La soluzione è arrivata dai progressi della tecnologia degli scanner TC nell'industria aeronautica: uno scanner delle dimensioni di una stanza, usato per ispezionare motori e parti di ali, può esaminare campioni di terreno di 1 metro di lunghezza, 0,25 metri di diametro e 80 kg di peso.

"I finanziamenti del Consiglio europeo della ricerca, della Fondazione Wolfson e dell'Università di Nottingham ci hanno permesso di creare una piattaforma per l'imaging delle radici: la Hounsfield Facility", spiega il prof. Bennett. La sovvenzione del CER è stata usata per pagare le nuove attrezzature di scansione a raggi X, in grado di produrre immagini tridimensionali dell'intera rete di radici che crescono nel terreno in una serra all'avanguardia e completamente automatizzata.

"La costruzione è stata terminata a luglio, appena 12 mesi dopo il lancio del progetto", continua. "Gli strumenti arrivano in autunno e saranno in funzione a gennaio".

Un problema con radici profonde

Il terreno è eterogeneo, tridimensionale e complesso e ha acqua e sostanze nutritive sparse in tutto il suo volume. Uno scanner TC può mostrare l'acqua, il terreno e le radici, ma lo fa producendo una serie di "fette" di terreno, immagini di sezioni a raggi X che mostrano ogni radice solo come un puntino piccolissimo nel punto in cui passa attraverso la fetta.

"Il problema è ricostruire le radici da queste sezioni", spiega il prof. Bennett. "Siamo riusciti ad adattare le tecniche di "rilevamento degli oggetti" - un metodo usato dal settore della sicurezza per trovare i sospetti quando si muovono in luoghi affollati - per riconoscere e seguire ogni diramazione della radice ed essere in grado di "togliere" il terreno.

Il prof. Bennett è anche il direttore del Centro per la biologia integrativa delle piante (CPIB) presso l'Università di Nottingham, un centro interdisciplinare che riunisce matematici, ingegneri e informatici insieme a scienziati del terreno.

"Questo ambiente multidisciplinare ci ha aperto a nuove esperienze, è una combinazione fantastica", dice. "Dobbiamo lavorare con ogni disciplina, dagli ingegneri di software ai biologi delle piante, per completare questo difficile progetto. Siamo 20 nel team di ricerca del CER, tra cui sei studenti di dottorato co-finanziati dal CER e l'università".

Il centro sta lavorando con diversi gruppi internazionali come l'Institut de recherche pour le développement (IRD) a Montpellier, in Francia, e il prof. Jonathan Lynch negli Stati Uniti, un pioniere della "seconda rivoluzione verde". L'obiettivo è produrre raccolti migliori in Europa e nei paesi in via di sviluppo.

"Stiamo anche scoprendo nuovi meccanismi tramite i quali le radici cercano l'acqua", conclude il prof. Bennett. "E se questo ci aiuterà a generare nuove varietà di colture che danno raccolti migliori in condizioni difficili e più efficienti nell'usare i nutrienti del terreno, il progetto avrà un impatto agronomico reale".

Fonte: Prof. Malcolm Bennett

Detaggli del progetto:

- Coordinatore del progetto: Università di Nottingham, Regno Unito
- Titolo del progetto: Redesigning root architecture for improved crop performance
- Acronimo del progetto: FUTUREROOTS
- Sito web del progetto FUTUREROOTS
- Programma di finanziamento del 7° PQ (Bando CER): Advanced Grant 2011
- Finanziamento CE: 3 500 000 euro
- Durata del progetto: 5 anni

Principali pubblicazioni

"Developing X-ray Computed Tomography to non-invasively image 3-D root systems architecture in soil." Plant and Soil Mooney SJ, Pridmore TP, Helliwell J, Bennett MJ (2012) vol. 352, 1-22
"RooTrak: Automated recovery of 3D plant root architecture in soil from x-ray micro computed tomography using visual tracking." Plant Physiology Mairhofer S, Zappala S, Tracy S, Sturrock C, Bennett M, Mooney S, Pridmore T (2012) 158, 561-569