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Lug
30
2018
0

Grezza ma non troppo

 

Nell’articolo di maggio (Mai soli) avevo parlato dei microorganismi endofiti, cioè che vivono all’interno delle piante, o sulla sua superficie (es. fillosfera e carposfera). Le condizioni esterne sembrano influenzare non poco la popolazione microbica di un organismo vivente: succede nel nostro intestino, il cui microbioma è influenzato dalla dieta, e la stessa cosa accade nelle piante, i cui microorganismi sono influenzati ad esempio dalle diverse pratiche agronomiche. Se ci sembra strano che le piante ospitino microbi diversi a seconda di come vengano coltivate, questo dipende dal fatto che le piante sono state da sempre meno studiati degli animali, e in particolare dell’uomo. Le cose stanno però cambiando: sequenziare il DNA dei batteri è sempre più economico e alla portata di tutti, e non è necessario avere un laboratorio attrezzatissimo perché il sequenziamento può essere svolto all’esterno. Quello che serve sempre di più è però il cervello del ricercatore per progettare al meglio un esperimento e per gestire e valutare la gran mole di dati che viene prodotta. Oltre alle tecniche genomiche, ce n’è una in grado di individuare quasi tutte le molecole sotto le dimensioni delle proteine presenti in un tessuto; si chiama metabolomica. Il vantaggio di questa tecnica è che ci da un’istantanea di quello che realmente sta succedendo in un tessuto.

L’ostacolo maggiore a questa tecnica, ormai diventata una vera e propria disciplina, è che le piante sono laboratori viventi in grado di produrre migliaia di molecole provenienti dalle più svariate vie biosintetiche, dai fenoli ai carboidrati, dai terpeni agli alcaloidi, dagli steroidi agli aminoacidi. Molti di questi metaboliti sono prodotti in determinati stadi fisiologici della pianta, ad esempio durante la crescita o lo sviluppo riproduttivo, altre volte in seguito a condizioni ambientali più o meno avverse, come avviene per la difesa contro i patogeni, o in carenza di nutrienti o di acqua. Per dare un senso a queste ricerche, bisogna quindi identificare i metaboliti chiave che fanno la differenza (e che la fanno al di sopra di un certo livello), eliminando tutti quelli che normalmente si riscontrano, scegliendo quelli più abbondanti o la cui sintesi è indotta da determinate condizioni interne ed esterne. È necessario inoltre fare un buon campionamento (non di certo limitarsi a una pianta, selezionando piante uniformi in età, stadio, posizione, ecc.) e scegliere il momento adatto, possibilmente ripetendo le analisi più volte durante l’anno (magari quando la pianta è a riposo vegetativo e poi in fase vegetativa/riproduttiva, se parliamo di piante). Se non si considerano bene tutti questi fattori, il rischio è quello di spendere soldi per centinaia di analisi senza approdare a nessuna conclusione.

Sul sangue umano sono stati pubblicati milioni di articoli scientifici perché è facile da estrarre e dalla sua composizione chimica, biochimica e cellulare si possono ricavare molteplici informazioni sullo stato di un organismo. Dai miei sbiaditi ricordi di fisiologia umana, il sangue veicola gas, acqua, nutrienti, ormoni, elementi, cellule, ecc. Una qualsiasi modificazione delle condizioni fisiologicamente normali è un campanello di allarme. E allora perché lo stesso non potrebbe avvenire per la linfa delle piante. Al contrario nostro, le piante hanno due diversi sistemi circolatori, lo xilema per la linfa grezza, e il floema per la linfa elaborata. Non voglio entrare nei dettagli, ma si è sempre detto che linfa xilematica, la quale scorre in vasi cavi e morti chiamati trachee e tracheidi, trasporta sostanze dalle radici alla chioma avendo come forza guida la traspirazione, mentre la linfa floematica, contenente gli zuccheri prodotti dalla fotosintesi, dalle foglie al resto della pianta. Dal momento che i metaboliti, come si deduce dal nome, derivano dal metabolismo, che avviene nelle cellule vive, si pensava che la maggior parte di queste sostanze fosse presente nel floema. Niente di più sbagliato! La linfa xilematica non è così grezza come si pensava: contiene non solo acqua e elementi minerali (nitrati, fosfati, solfati, elementi, ecc.) ma anche steroidi, terpeni, alcaloidi, fitormoni, regolatori di crescita, aminoacidi, fenoli, prodotti di degradazione e altro che fra un po’ vedremo. Dal momento che estrarre la linfa non facile come estrarre il sangue, inizialmente si è pensato che questi metaboliti fossero contaminazioni dei tessuti adiacenti, in particolare del vicino floema, ma tecniche di estrazione sempre più precise hanno smentito questa ipotesi.

 

E arriviamo al dunque: la parte sperimentale.

Partecipare a congressi mi piace solo se c’è un fine pratico; è bello documentarsi ma non è mia intenzione sorbirmi tutti gli interventi orali e i poster (la mia attenzione dura 30 minuti la mattina e 30 il pomeriggio e ho bisogno di tempo per assimilare). L’altro aspetto positivo e stimolante è conoscere nuove persone (le più interessanti sono di solito le più dimesse e umili), il che non significa fare public relations, ma interessarsi sinceramente alle attività altrui e trarne buoni stimoli. Da uno di questi congressi è nata una piccola collaborazione che, a mio avviso, ha dato ottimi risultati. Molti di questi sono in via di pubblicazione, per cui non potrò andare ora in dettaglio, ma quello che ci interessa è il messaggio, che deve essere supportato dai risultati ma andare oltre questi. Il mio intervento orale riguardava la modifica dei microorganismi in piante di olivo gestite in modo diverso. Il messaggio: il microbioma delle piante gestite in modo sostenibile (sostenibili) è ricco e più diverso di quello delle piante coltivate con tecniche intensive (convenzionali). Le prove: i gruppi di batteri “utili” e “benefici” per le piante erano significativamente più abbondanti nel trattamento sostenibile, in vari periodi dell’anno. I vantaggi: le piante sostenibili si difendono meglio, sopportano meglio le condizioni avverse, hanno bisogno di meno fertilizzanti di sintesi e producono anche di più (anche se i vantaggi si notano a partire da 5-6 anni di gestione), gli agricoltori risparmiano soldi e risorse (acqua e concime), l’ambiente ne guadagna, la salute umana probabilmente sì.

Avevamo studiato anche i batteri presenti nella linfa, in entrambi i trattamenti. Al ché, l’idea di studiare anche la composizione chimica della linfa. “Hai ancora campioni nel frigo”, “Un momento che chiedo”, “Sì, ce ne sono ancora per due epoche di campionamento”, “Sei d’accordo se te li spedisco?”, “Sì”, “OK, organizzo tutto”. Dopo qualche mese, i risultati: 200-300 metaboliti che facevano la differenza nei due trattamenti, che si differenziavano statisticamente in maniera netta. 200-300 metaboliti con nomenclatura chimica IUPAC, un manicomio di nomi e sigle. Dopo qualche settimana ritorna il file Excel con una suddivisione in classi chimiche fatta sulla base di un database di composti di origine vegetale. Io lo analizzo un po’ e più o meno mi ci ritrovo, ma qualcosa non mi è chiaro. Ad occhio vedo che molti dei metaboliti sono più abbondanti nel trattamento sostenibile e che i composti, dai nomi più assurdi, non sono così disomogenei, ma che nell’elenco regna una certa uniformità: prevalgono alcune classi di composti rispetto ad altre. E sono per il 99% metaboliti secondari, cioè quelli che non prendono parte alle vie biosintetiche più importanti – non so, respirazione, fotosintesi, fotorespirazione – ma metaboliti secondari, cioè non essenziali per la semplice crescita, sviluppo o riproduzione dell’organismo, ma per esempio usati o come meccanismi di difesa contro predatori (animali erbivori, agenti patogeni, ecc.) o per la competizione interspecifica o per facilitare i processi riproduttivi. Allora esamino i composti uno ad uno e li passo al vaglio di PubChem, che per ognuno di essi mi dice vita, morte e miracoli, tutto basato sulla bibliografia. I miei sospetti erano fondati: c’è una precisa logica che differenzia i due trattamenti. Le piante “sostenibili” e quelle “convenzionali” hanno una composizione della linfa totalmente diversa per quanto riguarda i metaboliti secondari. Diversa sì, ma è possibile che i metaboliti individuati diano alle piante sostenibili dei vantaggi che le altre non hanno. A prima vista mi sembra di sì.

Innanzitutto, ad esclusione di qualche aminoacido, i metaboliti primari non sono stati influenzati dalla gestione del suolo. Le differenze maggiori si riscontrano però per i metaboliti secondari (80% del totale), quasi sempre più concentrati (almeno 5 volte) o presenti solo nella linfa delle piante sostenibili. Tra questi, le classi prevalenti includono terpeni a diverso numero di atomi di carbonio, fitormoni e loro derivati (gibberelline, auxine, jasmonati, citochinine e strigolattoni); alcaloidi; steroli/steroidi; retinoli/retinoidi, tocoferoli e carotenoidi. I fitormoni trovati, esclusi i jasmonati (che hanno principalmente un’azione difensiva), sono metaboliti secondari che, in piccole quantità, promuovono e regolano la crescita delle piante, lo sviluppo e la differenziazione di cellule e tessuti e, per questo motivo, sono anche chiamati “regolatori della crescita”. A quanto pare, molti di essi e/o dei loro precursori sono trasportati non solo dal floema, ma anche dallo xilema, soprattutto se sintetizzati nelle radici. I terpeni hanno effetti antagonisti nei confronti di microorganismi patogeni e insetti erbivori. Carotenoidi (antiossidanti), steroidi e steroli (vedremo dopo), gibberelline e citochinine (regolatori e promotori della crescita) derivano anch’essi da terpeni. Le saponine, una classe di steroidi glicosilati, con proprietà simili al sapone sono anch’esse delle potenti tossine contro i patogeni e sono state riscontrate solo nella linfa delle piante sostenibili. Gli steroli vegetali sono una componente essenziale delle membrane cellulari, ma, cosa più interessante, molti di essi agiscono come messaggeri secondari, fitoormoni che regolano lo sviluppo delle piante (ad esempio brassinosteroidi) o sostanze di difesa (ad esempio i fitoecdisoni) con una struttura simile a quella degli ormoni degli insetti, il cui sviluppo è disturbato e compromesso dalla presenza di queste sostanze ormonosimili. Ad esempio, l’ecdisone è un ormone con una struttura steroidea che controlla la transizione da larva in pupa. Le piante possono imitare questi ormoni, in modo che quando gli insetti mangiano piante contenenti fitoecdisoni, il processo della pupa sia disturbato e le larve muoiano. È difficile però capire se l’ecdisone rilevato sia stato prodotto da insetti (ad esempio, trasmesso nella linfa da uno stiletto di afide) o se sia stato sintetizzato dalla pianta.

Dal momento che il trattamento sostenibile ha fornito al terreno più azoto organico e meno azoto minerale, questo probabilmente è stato il motivo dell’aumento dei fenoli e degli alcaloidi, la cui biosintesi è generalmente indotta quando viene aggiunto meno fertilizzante azotato. Sono probabilmente i composti più importanti per la difesa delle piante e possono essere influenzati dalle diverse pratiche agronomiche e dalle condizioni ambientali, anche se non sempre questa relazione è chiara. Infine, altri composti discriminanti tra i due trattamenti sono stati antibiotici sintetizzati da batteri (cloramfenicolo ed eritromicina D) e funghi (fusidato e aurachina), vitamine (es., biotina), siderofori di origine batterica (rizobactina 1021, prodotta da Rhizobium spp.) che aiutano le piante ad assorbire ferro dal suolo, insetticidi naturali prodotti da batteri (spinosina) e vari fitoecdisoni.

 

Dai dati complessivi emerge che l’adozione di una gestione sostenibile a lungo termine del suolo (18 anni) ha migliorato lo stato di salute delle piante in termini di difese chimiche (ad esempio, terpenoidi, alcaloidi, fitoalessine, jasmonati, fenoli), di crescita (es., gibberelline, citochinine, strigolattoni) e di funzionalità cellulare (es. vitamina A, biotina, steroidi). Nella linfa delle piante sostenibili sono stati riscontrati molti composti derivati da microbi utili per piante (es., siderofori, sostanze simili agli ormoni, antibiotici). Una gestione sostenibile del suolo è quindi un fattore chiave per aumentare i nutrienti del suolo e sostenere un microbiota del suolo funzionale e diversificato, che a sua volta aumenta la fertilità del suolo, ovvero la capacità di un suolo di fornire i nutrienti essenziali per la crescita delle piante.

La gestione de suolo può quindi influenzare profondamente il metabolismo della pianta, come si vede dall’analisi del metaboloma della linfa, ma anche indirettamente l’ambiente e la salute umana (assenza di pesticidi e fertilizzanti minerali, aumento della crescita delle piante e difese naturali, ecc.). Nell’agricoltura convenzionale, adottata dalla maggior parte degli agricoltori, la frequente lavorazione del terreno riduce fortemente la complessità e la diversità dell’agro-ecosistema. I risultati ottenuti incoraggiano l’uso di una serie di pratiche agricole sostenibili (ad esempio, copertura dell’erba, riciclaggio dei residui di potatura, input di sostanza organica, ecc.) In grado di migliorare lo stato fisiologico delle piante, con benefici sulla quantità/qualità delle produzioni, l’ambiente e salute umana.

 

I tempi stanno per cambiare. Le analisi della linfa diventeranno routine in futuro?

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Giu
30
2018
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Nastri contro la siccità

 

 

Nastri contro la siccità

 

Le piante adottano varie strategie per contrastare la siccità, che inevitabilmente si trovano ad affrontare in alcuni periodi dell’anno, vuoi per mancanza di acqua, vuoi per eccesso di irraggiamento e quindi di traspirazione. Ci sono piante in grado di cambiare il loro contenuto di acqua in base alle fluttuazioni ambientali (poichiloidriche) e altre il cui livello idrico non varia molto in relazione all’ambiente esterno (omeodriche). Le piante più tolleranti alla siccità sono generalmente quelle del primo gruppo perché hanno una serie di adattamenti mirati a tollerare la mancanza di acqua. Queste sono prevalentemente alghe, licheni, muschi ed epatiche, tutte piante senza vasi conduttori. Le seconde, invece, sono più che altro in grado di evitare la siccità con una serie di strategie legate alla condizione di omeoidricità. La tendenza alla tolleranza alla siccità diventa sempre meno marcata salendo la scala evolutiva, in proporzione all’aumento alla capacità di evitarla.

In un vecchio lavoro, Gaff (1972) cercava di elencare e raggruppare felci, gimnosperme e angiosperme (monocotiledoni e dicotiledoni) in base alla loro tolleranza alla siccità. Le più tolleranti erano le angiosperme, seguite da felci e gimnosperme. Ora, pensando ad abeti, pini, larici e compagnia bella certo fatichiamo a pensare che siano piante adattate a poca acqua, e difatti non lo sono. Le gimnosperme (conifere), piante senza semi, sono adattate sì agli alti livelli di irraggiamento tipici degli ambienti montani o comunque freddi, ma sono molto sensibili ai livelli di acqua nel terreno.

 

 

Come in qualsiasi classificazione di stampo umano, ci sono le dovute eccezioni. Una di queste è Welwitschia mirabilis, endemica del deserto della Namibia, nel sud est africano; una strana gimnosperma che ha pochissime caratteristiche normalmente associate a piante che vivono in ambienti aridi (xerofite).

Andiamo subito al punto: questa pianta è un paradosso vivente.

 

 

Possiede inoltre una forma molto strana, con foglie enormi e lunghissime. Può vivere fino a 2000 anni nel deserto mantenendo una forma che ricorda una pila di foglie secche e marroni. Ha un aspetto costantemente stentato e accartocciato, stramazzata al suolo rovente desertico. Torneremo più tardi sulla struttura di questa pianta. Per ora, ci è dato sapere che le foglie resistono a diminuzioni di acqua del 44% rispetto alla massima saturazione, un valore alto ma che non la risparmia dall’adottare meccanismi per evitare la siccità. Sembra quindi che questa pianta, più che tollerare lo stress, lo eviti.

Il problema è capire come. Probabilmente, ho pensato, Welwitschia ha una traspirazione molto bassa, una cuticola cerosa spessa, radici dense e/o profonde, capacità di assorbire vapore acqua dalla nebbia. In realtà, la cuticola di Welwitschia è meno spessa (6 micron) rispetto ad altre piante adattate alla siccità, quali Euphorbia e Aloe. Questi ultimi due generi comprendono solo piante grasse (succulente) mentre Welwitschia è una sclerofita, con poca acqua interna, il che rende il mistero della sua lunga sopravvivenza nel deserto ancora più intrigante. Per quanto riguarda la nebbia, nei deserti della Namibia questa è frequente nelle ore mattutine e potrebbe raffreddare le foglie (e diminuire così la traspirazione) come anche permettere alle goccioline di acqua di entrare nella pianta dagli stomi presenti sulle foglie. Infine, le radici superficiali e per nulla dense di Welwitschia suggeriscono che il vapore acqueo potrebbe essere anche assorbito dalle radici stesse, anche se questa acqua sarebbe comunque insufficiente alle necessità della pianta.

Nemmeno il metabolismo di Welwitschia non aiuta a darci una spiegazione plausibile. Questa specie infatti non ha un metabolismo CAM (crassulacean acid metabolism), tipico delle piante grasse, dove gli stomi sono chiusi di notte, quando la traspirazione è minore e l’umidità relativa maggiore, e l0anidride carbonica è fissata al buio. In Welwitschia, gli stomi sono aperti soprattutto di giorno che di notte (c’è una certa tendenza al metabolismo CAM, che si “attiva” solo in determinate condizioni ambientali e in presenza di altre specie, ma comunque non è frequente). Le foglie perdono quindi ingenti quantità di acqua durante le giornate roventi. Le piante CAM sono per loro natura adattate a climi desertici, ed è quindi sorprendente che Welwitschia, la quale vive in un ambiente che favorirebbe il metabolismo CAM, si comporta non come una specie succulenta ma come una pianta adattata a climi temperati. Si è addirittura ipotizzato che questa pianta probabilmente si è originata in condizioni tropicali e che poi, con i cambiamenti climatici avvenuti in passato, si sia gradualmente adattata a condizioni desertiche. Anche questa, almeno a me, sembra una spiegazione che non si regge molto in piedi.

Ho letto parecchia bibliografia su Welwitschia ma non mi ha dato molti indizi sulla sua insolita resistenza alla siccità. I lavori erano tutti parecchio vecchiotti; dagli anni ‘80 in poi la specie non è stata più studiata ed è rimasta una curiosità botanica. Tale curiosità deriva soprattutto dall’aspetto di Welwitschia, per cui ho deciso di partire da questo per capirci qualcosa.

Parto dalle radici, che dovrebbero darci qualche indizio importante. Le radici sono superficiali: arrivano al mediamente a 1,5 metri di profondità (massimo 3 metri); nemmeno alla falda idrica. I primi 25 cm di radici sono inoltre fortemente lignificati, il che non solo evita perdite di acqua ma rende le radici una riserva di acqua. Ci sono una serie di radici laterali e una rete di delicate radici spongiformi. La lunghezza totale dell’apparato radicale è modesta rispetto a quella di altre piante desertiche. L’apice radicale ha una forma a telescopio, con cellule molto attive metabolicamente e ricche di amido. Un fatto insolito è che queste cellule contengono delle goccioline di olii e altri grassi (indicate con G e F, rispettivamente, nella figura qui in basso) ma non riesco ad associare il metabolismo dei grassi allo stato idrico della pianta se non per il fatto che dalla combustione di 1 g di grassi venga prodotto circa 1 mL di acqua metabolica (un po’ poco per il fabbisogno di una pianta).

 

 

Tutti questi particolari sulle radici mi danno l’impressione di una normalissima pianta tipica di climi temperati. A questo punto, ho pensato che la soluzione risiedesse nelle foglie.

Le due foglie, opposte tra loro e permanenti, sono la caratteristica più appariscente, sorprendente e anomala di Welwitschia mirabilis, da cui il nome comune inglese “two-leafed-cannot-die” (“a due foglie-non può morire”). Esse sono nastriformi e si espandono come una massa lacerata e aggrovigliata sopra la ghiaia del deserto, conferendo alla pianta un aspetto strano e grottesco. La pianta somiglia ad un polpo aggrovigliato sul deserto. Le foglie sono nastriformi e continuamente perpetuate al ritmo di 8-15 cm all’anno da un meristema basale intercalare (questo tipo di meristema insieme con la venatura parallelinervia della foglia sono caratteristiche anche delle monocotiledoni). Nelle piante più giovani, le due foglie opposte crescono e si curvano verso l’esterno, lontano dal fusto, toccando la sabbia dopo 0,3-1,2 m. La parte terminale della foglia, che si trova a contatto con la sabbia, viene praticamente arrostita. I venti caldissimi del deserto, inoltre, scuotono le le foglie, smuovendo le loro parti terminali avanti e indietro sulla ghiaia, con il risultato che le punte delle foglie si sfilacciano e si consumano progressivamente man mano che la crescita avviene. Le foglie possono avere dimensioni enormi: larghe fino a 2 m, lunghe fino a 8 m, con una superficie fogliare totale (delle due foglie) fino a 20 m2 di tessuto vivente e fotosintetico. Le piante giovani hanno misure più ragionevoli ma pur sempre notevoli (0.5-1.0 m di larghezza e 1-2 m di lunghezza).

 

Welwitschia mirabilis, orto botanico di Berlino (foto mie).

 

Quello rimane poco chiaro è il significato di tali grandi superfici fogliari, perché la sopravvivenza stessa di una pianta del deserto dipende dalla sua capacità di ridurre la superficie delle sue foglie al fine di contrastare la perdita di acqua per evaporazione e traspirazione. La risposta risiede in parte nella nebbia costiera dei deserti namibiani, che si sposta nell’entroterra prima dell’alba e scompare alle 10:00 circa. La condensazione della nebbia, che in termini di precipitazioni è equivalente a una pioggia annuale di 50 mm, si raccoglie sulle foglie, viene assorbita attraverso gli stomi e condotta in varie parti della pianta attraverso un ampio sistema di vasi. Non è quindi sorprendente scoprire che la foglia possiede milioni di stomi su entrambe le superfici, superiore e inferiore (più di 20.000 per cm2). Le piante xerofite, per non perdere acqua, normalmente non hanno stomi sulla superficie fogliare superiore e quelli sulla superficie inferiore sono pochi e profondamente infossati. In effetti, gli stomi di Welwitschia si chiudono poco dopo che la nebbia scompare. Gli stomi sono infossati, ma non così profondamente come nella maggior parte delle xerofite. Tuttavia, possono chiudersi ermeticamente e sono invariabilmente supportati da celle meccaniche enormi, estremamente potenti. Queste caratteristiche fogliari suggeriscono un notevole adattamento complessivo alle condizioni di un deserto con nebbia frequente. Nonostante questi accorgimenti, è stato dimostrato che molta dell’acqua condensata viene comunque persa e non assorbita dagli stomi.

Rimane però da capire se una pianta del genere possa sopravvivere con solo 50 mm di acqua annuali. E ancora, molte piante grasse desertiche hanno strutture chiamate idatodi, delle particolari forme di stomi in grado di assorbire acqua dall’aria, ma questi non sono presenti in Welwitschia. Ancora una volta, Welwitschia appare una pianta normalissima ma con una grande capacità di fronteggiare la siccità.

L’epidermide della foglia di Welwitschia è coperta da una cuticola cerosa costituita da tre strati, che costituiscono solo 1/40 dello spessore totale della foglia. Tale dato è piuttosto sorprendente, dal momento che la cuticola di specie del deserto di solito è molto più spessa. Tuttavia, lo strato centrale della cuticola è il più spesso e contiene cristalli di ossalato di calcio che probabilmente hanno un ruolo importante nel riflettere l’energia radiante proveniente dal sole, e di conseguenza nel mantenere la foglia fresca. In effetti, solo il 55% della radiazione solare è assorbito dalle foglie di Welwitschia e la restante parte è riflessa (in molti alberi, in media solo il 25% della radiazione è riflessa). Riflettere la luce, e quindi anche il calore, è una delle migliori strategie che una pianta desertica con grandi foglie abbia per conservare acqua.

Andando un po’ più nel dettaglio, la foglia è ricca di fibre affusolate molto lunghe (sclereidi), che la rendono rigida ma flessibile allo stesso tempo, analoga a una barra di acciaio ripiegata. La foglia è sufficientemente rigida da formare una parte curva di considerevole lunghezza, prima di toccare la sabbia. È qui comincia il bello: la parte della foglia non a contatto con la sabbia ha una temperatura di 4-6 °C maggiore di quella dell’aria. Questo perché nella zona ricurva delle foglie, l’alta riflettanza (55%) minimizza l’assorbimento da parte della foglia della radiazione solare a corta lunghezza d’onda incidente dall’alto; allo stesso tempo, il suolo relativamente freddo sotto la parte ricurva della foglia minimizza l’assorbimento della radiazione infrarossa a lunga lunghezza d’onda emessa dal suolo. Attraverso questi due meccanismi, la foglia evita il surriscaldamento. D’altro canto, la parte della foglia che tocca il terreno ha temperature più alte perché lo scambio di calore sulla superficie inferiore fogliare (emissione di infrarossi) è ostacolato.

 

 

 

Questa figura in alto (Lambers et al., 2008), che spiega quanto appena detto solo in termini di scambi di calore, non approfondisce però il discorso dell’acqua, cioè il punto cruciale, nonché fattore limitante per Welwitschia. La figura somiglia incredibilmente a quest’altra, emersa dai miei cassetti della memoria, e pubblicata nel Terzo Manuale delle Giovani Marmotte, fortunatamente ancora nelle mie mani dopo 40 anni.

 

 

L’articolo (“Per trovare l’acqua – dove non c’è – con l’alambicco solare”, pp. 38-39) descrive un metodo per recuperare fino a 1,5 litri di acqua al giorno facendo evaporare l’acqua da una buca scavata nel terreno (diametro di 1 m e profondità di mezzo metro), lasciandola condensare sotto un telo di plastica trasparente ricurvo di 1,5 m di lunghezza, e poi raccolta in un secchio.

In termini di dimensioni, siamo là. Immaginiamo che il telo di plastica sia la parte ricurva della foglia di Welwitschia, il secchio l’insieme degli stomi aperti nella pagina inferiore della foglia, e la buca nel terreno (concava) la zona sottostante alla parte ricurva della foglia (convessa). La differenza di temperatura suolo-telo, nella figura dovuta alla buca, è equivalente a quella della differenza suolo ombreggiato-foglia. Il discorso quadra perfettamente. Il segreto di Welwitschia è proprio nella foglia. È per questo che ci sono stomi nella parte superiore e inferiore. Dai primi viene assorbita l’acqua condensata dalla nebbia, dai secondi quella del suolo. La foglia Welwitschia è un alambicco solare, che usa le differenze di temperatura foglia-atmosfera e foglia-suolo per condensare acqua e poi assorbirla dagli stomi e trasportarla al resto della pianta.

Del resto, come insegnano Qui, Quo e Qua, il Manuale delle Giovani Marmotte è per definizione infallibile e dalle infinite potenzialità.

 

 

Grazie a loro, ho scritto:

 

Bornman CH (1972) Welwitschia mirabilis: paradox of the Namib Desert. Endeavour, Volume XXXI, Welwitschia mirabilis: paradox of the Namib Desert 113: 95-99.

Bornman CH, Elsworthy JA, ButIer V, Botha C.E.J. (1972) Welwitschia mirabilis: Observations on general habit, seed, seedling, and leaf characteristics. Madoqua, series II, Vol. J, nos. 54-62: 53-66.

Cooper-Driver GA (1994) Welwitschia mirabilis – A Dream Come True. Arnold Arboretum, Arnoldia 1994 Summer: 2-10. http://arnoldia.arboretum.harvard.edu/pdf/articles/1994-54-2-welwitschia-mirabilis-a-dream-come-true.pdf

Disney W (1977) 3° Manuale delle Giovani Marmotte. Arnoldo Mondadori Editore.

Gaff DF (1972) Drought Resistance in Welwitschia mirabilis Hook. fil. Dinteria 7: 3-7.

Lambers H, Stuart Chapin III F, Pons TL (2008) Plant Physiological Ecology. Springer.

Schulze E-D, Ziegler H, Stichler W (1976) Environmental Control of Crassulacean Acid Metabolism in Welwitschia mirabilis Hook. Fil. in Its Range of Natural Distribution in the Namib Desert. Oecologia (Berl.) 24: 323-334.

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Mag
31
2018
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Mai soli

Quando faccio lezione e spiego che un essere umano di 70 kg è costituito per 1,5-2,5 kg di batteri (e in minima parte di funghi) che vivono sulla nostra pelle e sulle mucose, di solito gli studenti mi guardano esterrefatti e increduli. Su e in un uomo “medio” vivono difatti circa 40 trilioni di batteri (un trilione equivale a mille miliardi), cioè più del numero di cellule di un organismo umano, che ammonta a circa 30 trilioni. Il rapporto è quindi di 1,3:1 a favore dei batteri.

     Numero di tipi di cellule (in alto) e loro peso (in basso) in un uomo medio (fonte: Nature).

 

Siamo talmente abituati alla visione antropocentrica della vita al punto tale da dimenticarci che la nostra esistenza dipende strettamente da altri organismi. Anche chi è a digiuno di scienza, dopo un po’ di riflessione, realizza che senza piante (produttori primari) non saremmo qui. Il problema però è più radicale: molti organismi vivono infatti dentro di noi ed è grazie a loro che la nostra pelle e le nostre mucose sono difese da microorganismi patogeni o che l’intestino riesce ad assorbire composti semplici “predigeriti” da batteri o che, ancora, vengono prodotte vitamine (B1, B2, B6, B12, K, PP, H, acido pantotenico ed acido folico) e altre sostanze per noi benefiche.

In realtà, biologicamente parlando, non siamo mai soli, ma siamo un “superorganismo” formato dal nostro corpo e dai nostri microorganismi. Questo superorganismo è in realtà un “olobionte” (dal greco “òlos” = tutto), cioè l’insieme di noi stessi, il nostro corpo con organi, tessuti, fluidi biologici e l’enormità di microrganismi simbionti che, con il loro genoma, vivono sopra e dentro di noi. Ricapitolando, un essere umano è un organismo multicellulare derivante da un iniziale zigote più il suo “microbiota”, cioè l’enorme comunità dei suoi microrganismi associati.

Passiamo però alle piante. La “pelle” di una pianta può essere definita come l’insieme della superficie delle foglie (fillosfera), dei frutti (carposfera), dei fiori (antosfera) e di altri tessuti epigei, più la superficie delle radici direttamente a contatto con la rizosfera (dal greco “rhìzo” = radice), la porzione di suolo che circonda le radici delle piante, da cui assorbono i nutrienti essenziali e l’acqua. La rete di microorganismi della rizosfera è molto più complessa e diversa da quella del suolo lontano dalle radici, come succede un po’ per i batteri che vivono sulla mucosa intestinale. Non a caso, già Darwin aveva paragonato le radici al nostro intestino.

 

Le radici delle piante come l’intestino umano?

 

Circa 25 anni fa sarebbe stato impensabile parlare di “endofiti”, cioè di microorganismi che vivono nelle piante (ad esempio nella linfa o nei tessuti parenchimatici), sia perché le piante sono da sempre state poco studiate rispetto all’uomo, sia per mancanza di tecniche di analisi che oggi sono facilmente disponibili. Dall’800 sono state date diverse definizioni di endofita ma i tempi non erano maturi e c’è voluta la fine del ‘900 per cominciare a studiare seriamente questi microorganismi:

  • De Bary (1886) – Funghi parassitici che completamente o in parte nella pianta ospite.
  • Carroll (1988) – Funghi che non causano infezione apparente e che vivono nelle foglie e nei fusti di piante sane.
  • Petrini (1991) – Tutti gli organismi che abitano negli organi di una pianta in alcuni periodi del loro ciclo vitale e che possono colonizzare i tessuti vegetali interni senza causare danno apparente all’ospite.
  • Wilson (1995) – Funghi o batteri che, per tutto il loro ciclo vitale o parte di esso, invadono i tessuti di piante viventi e causano infezioni non apparenti o asintomatiche nei tessuti vegetali senza causare sintomi di malattia.
  • Hallmann et al. (1997) (credo la più completa) – Microorganismi che possono essere isolati da tessuti vegetali precedentemente sterilizzati o estratti dall’interno delle piante, che non danneggiano visivamente la pianta ospite.
  • e molte altre…

 

Oggi si sa, e francamente non mi sorprende, che anche le piante siano olobionti e che ospitano non solo microrganismi simbionti “esterni” (mi vengono in mente, tra i tanti, i batteri azotofissatori e le micorrize) ma anche endofiti veri e propri. Le piante sono associate con comunità microbiche complesse e dinamiche che hanno un ruolo fondamentale per lo stato della pianta. I meccanismi coinvolti nelle interazioni tra pianta e endofiti sono poco studiati e ci si chiede, ad esempio, se piante in buone condizioni abbiano un microbiota diverso da piante malate. L’interesse non è solo scientifico ma anche applicativo, in quanto l’uso di microorganismi in forma di formulati commerciali potrebbe, come avviene per gli alimenti probiotici della nostra dieta, modificare in meglio il microbiota delle piante e avere effetti positivi sulle colture agrarie, sia in termini di quantità che di qualità. Modificare il fitobioma a scopi commerciali potrebbe diventare quindi una delle prossime frontiere delle biotecnologie vegetali.

 

Fonte: Le Scienze.

 

Dal momento che si è scoperto che praticamente ogni pianta ospita endofiti, si parla oggi di endofitismo, cioè un nuovo tipo di interazione diverso ad esempio dalla simbiosi, dalla biotrofia e dal saprotrifismo. L’endofitismo indica precisamente l’interazione di una pianta con un microorganismo che vive al suo interno. Hardoim et al. (Microbiol Mol Biol Rev 2015, 79: 293-320) hanno anche dato un nome all’ambiente in cui vivono gli endofiti: “endosfera”, una sorta di mondo segreto all’interno delle piante. Gli endofiti, al pari dei batteri intestinali umani, provocano infezioni asintomatiche e spesso hanno effetti positivi sulle piante: contrastano i microrganismi patogeni e gli erbivori, mobilitano le sostanze nutritive promuovono il loro assorbimento, aumentano la tolleranza ad ambienti avversi (ad es. siccità e salinità), e sintetizzano sostanze che promuovono la crescita delle piante (sono quindi anche PGPMs, cioè “plant-growth promoting microorganisms”).

 

Da dove arrivano gli endofiti, ad esempio quelli che vivono nella linfa? Ci sono molte ricerche in proposito ma vorrei basarmi su qualcosa che stiamo pubblicando (dita incrociate) in questi giorni. In olivo, ad esempio, gli endofiti provengono per la maggior parte dal suolo e sono in grado di superare la barriera dell’endoderma nella radice per entrare nella linfa grezza, dove risiedono stabilmente. Una piccola parte arriva però anche dalla superficie delle foglie, e arriva alla linfa attraverso gli stomi (Fausto et al., in stampa). La colonizzazione delle piante sembra avvenire quindi quasi completamente dalle radici, come ci si aspetterebbe, considerando che:

 

 

mentre la carica batterica, il numero di specie batteriche e la biodiversità microbica sulla superficie delle foglie (fillosfera) sono in media molto minori (in termini numerici, da un milione a un miliardo di batteri per cm2 di superficie; Xie et al., Appl Environ Microb 2015, 81: 522-553).

 

 

Vie di ingresso dei batteri endofiti in olivo (Mininni et al., presentazione a congresso).

 

A titolo di esempio, i gruppi di endofiti della linfa di olivo, a partire dai phyla fino ad arrivare alle specie, a causa delle condizioni più “sterili” rispetto a foglie e suolo, sono in minor numero. Inoltre, nella linfa prevalgono alcuni gruppi rispetto ad altri, probabilmente a causa delle condizioni più stabili, in quanto la linfa è un ambiente più protetto e confinato se comparato a suolo e foglie.

 

Grafico a bolle dell’abbondanza assoluta in (a) suolo, (b) foglie e (c) linfa grezza a livello di classi batteriche in piante di olivo. L’aumento di specie è rappresentato da bolle più grandi (gentilmente fornito da by Phinch tool, Bik 2014). Si noti come nella linfa ci sia un numero di classi minore, con poche classi predominanti.

 

Un’altra via di ingresso, soprattutto in piante a ciclo breve, è rappresentata dai semi, in quanto questi potrebbero contenere al loro interno gli endofiti della pianta madre (trasmissione verticale). Sembra inoltre che nel seme, alcuni endofiti potrebbero essere coinvolti in funzioni fondamentali, quali la dormienza e la germinazione. L’ingresso via seme è un’opzione studiata anche dalle aziende di biotecnologie vegetali, che aspirano a commercializzare preparati microbici per rivestire i semi con microorganismi potenzialmente utili, alcuni dei quali potrebbero poi risiedere stabilmente nella pianta come endofiti e aumentare la produzione (su mais sono già stati testati, con effetti positivi). Ci sono quindi buone ragioni per usare inoculi microbici come bioprodotti e questo sta già avvenendo in molti paesi. Siamo solo all’inizio.

 

Fonte: Le Scienze.

 

Per finire, cosa può influenzare l’endobioma di una pianta? Di sicuro la specie/varietà vegetale e lo stadio fenologico della pianta. Ma se molti endofiti provengono dal suolo, è la qualità fisica, chimica e microbiologica di un suolo a determinare in modo rilevante la composizione delle comunità endofitiche. Questo è un fattore chiave in agricoltura perché molti suoli fertili e ben gestiti, ricchi di sostanza organica, dove solitamente le comunità microbiche e le loro reti trofiche sono complesse e ad alta diversità, potrebbero contenere microorganismi che promuovono la crescita delle piante (PGPMs) e/o che le difendono dai patogeni (agenti di biocontrollo). Tali microorganismi, soprattutto i batteri, potrebbero diventare endofiti permanenti della linfa o di altri tessuti interni e proteggere le piante da stress abiotici e biotici. Infine, e non è cosa da poco in un contesto climatico cangiante (in peggio), molti suoli fertili sono anche “soppressivi”, cioè supportano piante senza sintomi di malattia, anche in presenza di patogeni virulenti e di piante suscettibile a tali patogeni. In parole povere, a causa dei molteplici microorganismi antagonisti, fungono da antibiotico per le piante. Questo significa che migliorare la gestione di un suolo potrebbe non solo aumentare la sua fertilità microbiologica ma anche, in un certo senso, “vaccinare” le piante nei confronti dei patogeni inevitabilmente presenti.

 

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