In che modo l'aumento delle temperature influisce sulla capacità delle piante di sopravvivere

I ringraziamenti per questo articolo vanno a Diana Yates, Life Sciences Editor, University of Illinois News Bureau

Gli scienziati agricoli che studiano il cambiamento climatico spesso si concentrano su come l'aumento dei livelli di anidride carbonica atmosferica influenzerà i raccolti. Ma è probabile che l'aumento delle temperature complichi il quadro, riferiscono i ricercatori in una nuova revisione dell'argomento.

Pubblicata sul Journal of Experimental Botany, la revisione esplora come le temperature più elevate influenzino la crescita e la vitalità delle piante nonostante la maggiore disponibilità di CO₂ atmosferica , un componente chiave della fotosintesi. Il calore eccessivo può ridurre l'efficienza degli enzimi che guidano la fotosintesi e può ostacolare la capacità delle piante di regolare la CO₂ , assorbimento e perdita di acqua, scrivono i ricercatori. Le caratteristiche strutturali possono rendere le piante più o meno sensibili allo stress da calore. Anche gli attributi dell'ecosistema, come le dimensioni e la densità delle piante, la disposizione delle foglie sulle piante o le condizioni atmosferiche locali, influenzano il modo in cui il calore influirà sui raccolti.

La recensione descrive gli ultimi sforzi scientifici per affrontare queste sfide.

"È importante avere una comprensione di questi problemi su tutte le scale - dalla biochimica delle singole foglie alle influenze a livello di ecosistema - al fine di affrontare davvero questi problemi in modo informato", ha affermato l'autore principale Caitlin Moore , ricercatore presso la University of Western Australia e ricercatore affiliato presso l'Institute for Sustainability, Energy, and Environment presso l'Università dell'Illinois Urbana-Champaign. Moore ha guidato la revisione con Amanda Cavanagh , un'altra studentessa della U. of I. ora all'Università dell'Essex nel Regno Unito

"Storicamente, c'è stata molta attenzione all'aumento della CO2 e all'impatto che ha sulle piante", ha affermato il coautore Carl Bernacchi , professore di biologia vegetale e delle scienze agrarie e affiliato del Carl R. Woese Institute for Genomic Biology presso l'Università di I. “Ed è un fattore importante, perché stiamo cambiando enormemente la concentrazione di anidride carbonica. Ma è una piccola parte della storia più grande. Una volta inserite le temperature variabili nel mix, questo rovina completamente la nostra comprensione di come reagiranno le piante."

"Prendi Rubisco, l'enzima chiave che fissa l'anidride carbonica negli zuccheri, rendendo possibile la vita sulla Terra", ha detto Cavanagh. "Rubisco accelera con l'aumentare della temperatura, ma è anche incline a commettere errori."

Invece di fissare l'anidride carbonica legandola agli zuccheri, un passaggio chiave nella fotosintesi, Rubisco a volte fissa l'ossigeno, avviando un percorso diverso che spreca le risorse di una pianta. Le temperature più elevate lo rendono più probabile, ha detto Cavanagh. A temperature ancora più elevate, l'enzima inizierà a perdere la sua integrità strutturale, rendendolo inefficace.

Il calore eccessivo può anche minare la produzione riproduttiva di una pianta. Altri enzimi sensibili al calore sono essenziali per il meccanismo di raccolta della luce delle piante o svolgono un ruolo nel trasferire gli zuccheri a diversi tessuti vegetali, consentendo alla pianta di crescere e produrre cereali o frutti.

"Se queste piccole macchine molecolari vengono spinte al di fuori dell'intervallo di temperatura ottimale, non possono svolgere il proprio lavoro", ha affermato Cavanagh.

Quando le temperature salgono troppo, le foglie delle piante aprono i pori sulla loro superficie, chiamati stomi, per raffreddarsi. Gli stomi consentono inoltre alle piante di assorbire l'anidride carbonica dall'atmosfera, ma quando sono completamente aperti, la foglia può perdere troppa umidità.

"La temperatura influisce sull'atmosfera sopra la pianta", ha detto Moore. "Man mano che l'atmosfera si riscalda, può trattenere più acqua, quindi estrae più acqua dalle piante."

Gli scienziati dell'Illinois e altrove stanno cercando modi per migliorare la resilienza delle piante coltivate di fronte a questi cambiamenti. Moore, il cui lavoro si concentra sui fattori a livello di ecosistema, ha affermato che i nuovi strumenti che possono aiutare a schermare le piante su larga scala sono essenziali per questo sforzo. Ad esempio, i satelliti in grado di rilevare i cambiamenti nella fluorescenza della clorofilla nelle piante possono indicare se una coltura è sotto stress da calore. Questi cambiamenti nella fluorescenza sono rilevabili prima che la pianta mostri qualsiasi segno esteriore di stress da calore, come le foglie che diventano marroni. Lo sviluppo di questi strumenti può consentire agli agricoltori di rispondere più rapidamente allo stress delle colture prima che si verifichino troppi danni.

Cavanagh, che studia la biologia molecolare e la fisiologia delle piante, ha affermato che alcune piante sono più tolleranti al calore di altre e gli scienziati stanno cercando nei loro genomi indizi del loro successo.

"Ad esempio, puoi guardare i parenti selvatici australiani del riso che crescono in climi molto più rigidi rispetto alla maggior parte dei risoni", ha detto. "E vedi che i loro enzimi sono pronti a lavorare in modo più efficiente a temperature più elevate."

Uno degli obiettivi è trasferire i geni resistenti al calore alle varietà di riso coltivate che sono più suscettibili allo stress da calore.

Altre strategie includono strutture ingegneristiche che pompano più CO₂ , al sito di fissazione del carbonio per migliorare l'efficienza di Rubisco; alterare le proprietà di raccolta della luce delle foglie nella parte superiore e inferiore delle piante per uniformare la distribuzione della luce solare e mantenere i livelli di umidità; e modificare la densità degli stomi per migliorare il loro controllo della CO₂ , afflusso e perdita di umidità.

La collaborazione tra scienziati focalizzati su diverse scale dell'ecosistema e della funzione delle piante, da quella atmosferica a quella molecolare, è essenziale per il successo degli sforzi per costruire la resilienza nelle piante coltivate, hanno affermato i ricercatori.

"Il mondo sta diventando più caldo a un ritmo impressionante", ha detto Cavanagh. “E sappiamo dai modelli globali che ogni aumento della temperatura lorda in gradi Celsius può causare perdite dal 3% al 7% nella resa dei nostri quattro raccolti principali. Quindi, non è qualcosa che possiamo ignorare.

"Ciò che mi rende ottimista è la consapevolezza che si sta lavorando così tanto per risolvere questo problema a livello globale", ha affermato.

Cavanagh e Bernacchi sono affiliati del progetto Realizing Increased Photosynthetic Efficiency presso l'Università di I. Moore è anche affiliato del Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation dell'Illinois. Bernacchi è un fisiologo vegetale di ricerca per il Dipartimento dell'Agricoltura degli Stati Uniti, Servizio di ricerca agricola.

Il documento "L'effetto dell'aumento della temperatura sulla fotosintesi delle colture:dagli enzimi agli ecosistemi" è disponibile online e dal U. di I. News Bureau.