Quindi, non solo l'acqua è fondamentale per produrre cibo sufficiente a nutrire la popolazione globale, che si prevede raggiungerà i 9,7 miliardi di persone entro il 2050, ma dobbiamo anche aumentare i raccolti utilizzando meno acqua.

La chiave per un’agricoltura sostenibile potrebbe risiedere nell’eredità dei parenti selvatici di colture essenziali come il grano e l’orzo. Questi tesori genetici sottosfruttati ospitano meccanismi di tolleranza allo stress modellati da generazioni di selezione naturale in ambienti difficili.

I ricercatori riconoscono da tempo i parenti selvatici come fonte di tolleranza allo stress negli studi genetici, ma la maggior parte di queste scoperte avviene per caso o è stata rara.

Ci sono così tante differenze tra la struttura e la fisiologia delle varietà di colture commerciali e dei loro parenti selvatici che i metodi di screening tradizionali sono inadeguati per identificare, analizzare e integrare le colture selvatiche nei programmi di selezione.

La nostra ricerca, pubblicata su New Phytologist , stabilisce un approccio sistematico che utilizza tecniche di imaging ad alta produttività e non invasive per decidere quali linee selvatiche presentano caratteristiche benefiche per il miglioramento delle colture e dovrebbero essere prese in considerazione per la riproduzione, allontanandosi dalle scoperte casuali.

Guardare oltre l'occhio nudo

Fino a poco tempo fa, il modo migliore per determinare le prestazioni delle colture in esperimenti su grandi campi era piantare diverse linee di colture e valutarle in base al loro aspetto e alla quantità di grano prodotta.

Ma i parenti selvatici tendono a perdere i semi quando sono completamente maturi, rendendo difficile giudicarli in base alla resa in grano, quindi gli allevatori spesso ci pensano due volte prima di lavorarci.

Le tecnologie innovative di telerilevamento stanno ora cambiando il modo in cui descriviamo le prestazioni delle colture. È come vedere oltre ciò che l'occhio nudo può cogliere per rilevare i segnali provenienti dalle numerose onde luminose che le piante riflettono dalla luce del sole o emettono come fluorescenza o calore.

Come forma di radiazione, il calore viene emesso a lunghezze d'onda oltre ciò che gli esseri umani possono vedere, ma può essere misurato utilizzando rilevatori termici.

La luce solare riflessa fornisce numerose informazioni sull’efficienza della fotosintesi delle piante; utilizzando la luce solare, l’anidride carbonica e l’acqua per produrre ossigeno ed energia sotto forma di zucchero. Questo può essere misurato con precisione utilizzando sensori di imaging iperspettrali che raccolgono ed elaborano informazioni provenienti da tutto lo spettro elettromagnetico in centinaia o migliaia di bande spettrali strette.

Sebbene l'uso del telerilevamento per studiare le caratteristiche delle piante sia già popolare, noi lo promuoviamo approfondendo l'efficienza con cui la coltura utilizza l'acqua e combinando queste informazioni con tecnologie di imaging iperspettrale e termico.

Comprendere i meccanismi utilizzati dalle antiche colture per rispondere alle fluttuazioni della temperatura ci aiuterà a scoprire opportunità inesplorate per la selezione delle piante e a rendere la nostra ricerca più mirata.

In definitiva, l'obiettivo è quello di sviluppare nuove varietà commerciali dalle linee selvatiche adattate all'ambiente, aprendo un percorso per l'agricoltura sostenibile superando l'attuale barriera di determinare quali linee selvatiche abbiano caratteristiche di adattamento alla siccità non sfruttate.

Questo è spesso difficile da determinare perché i tratti desiderabili possono essere diversi a seconda dello scopo di allevamento e del luogo di coltivazione.

Respirare e bere con la stessa cannuccia

Le piante perdono acqua attraverso un processo noto come traspirazione, che avviene attraverso gli stomi, gli stessi passaggi che consentono all'anidride carbonica di entrare nella superficie fogliare.

Utilizzare la stessa entrata e uscita significa che esiste un inevitabile compromesso tra la conservazione dell'acqua e l'acquisizione di carbonio sufficiente per produrre cereali sani tramite la fotosintesi.

Pertanto, la nostra tecnica di screening abbraccia questo compromesso per cercare piante in grado di sopportare lunghi periodi di carenza idrica, ma che possano riprendere una crescita sana una volta reidratate.

Proprio come in "Dune", dove le persone si sono adattate a gestire condizioni molto secche, le piante provenienti da ambienti desertici hanno sviluppato i propri modi per affrontare le condizioni asciutte.

Se pensiamo alla sudorazione umana come alla traspirazione delle piante, le piante che sono ben adattate alle condizioni aride hanno sviluppato molteplici meccanismi che consentono loro di "sudare" meno e risparmiare acqua durante la siccità, pur rimanendo meno stressate e in salute.

Utilizziamo i dati raccolti da tecniche di telerilevamento iperspettrale e termico per creare un indice di efficienza di traspirazione (iTE) basato su immagini, un parametro per la selezione delle piante che è relativamente facile da interpretare.

Utilizzando iTE, possiamo quindi identificare le linee ben adattate che dimostrano un uso efficiente dell'acqua in condizioni di siccità e possono ancora sostenere la loro capacità di riprendere la crescita.

Due piccioni con una fava

Sebbene abbiamo sviluppato iTE pensando alle popolazioni selvatiche, la sua applicazione potrebbe estendersi anche alle colture commerciali coltivate.

Passando dai metodi di selezione tradizionali che si concentrano esclusivamente sulle prestazioni di rendimento per la selezione delle cultivar, l'indice iTE potrebbe essere integrato con misurazioni di tolleranza classiche per prendere decisioni più complete e informate sulle migliori linee selvatiche per la selezione.

In collaborazione con l’Istituto per l’Agricoltura Sostenibile in Spagna, IAS-CSIC, abbiamo scoperto una forte connessione tra un cambiamento positivo nell’iTE in condizioni di siccità rispetto a un controllo ben irrigato e la stabilità della resa nelle varietà di grano commerciali; maggiore è l'aumento di iTE, minori saranno le perdite di rendimento.

La stabilità della resa indica quanto bene una coltura mantiene la resa del grano in condizioni di siccità rispetto alle normali condizioni di buona irrigazione. Ma ci sono vari motivi per cui alcuni raccolti resistono meglio alla siccità.

Ad esempio, alcune piante potrebbero continuare a fotosintetizzare in modo efficace, come suggerisce la nostra ricerca, mentre altre potrebbero avere radici più profonde che accedono all'acqua molto al di sotto della superficie.

Questi ultimi potrebbero apparire come chiome più fresche nelle immagini termiche perché sono in grado di assorbire più acqua, consentendo alla pianta di continuare a traspirare e riducendo la temperatura.

È difficile confermare da una prova sul campo se questa traspirazione è dovuta a radici profonde o se queste piante semplicemente mantengono aperti i pori (stomi), indipendentemente dalla scarsità d'acqua. La nostra ricerca analizza questa complessità per comprendere esattamente come le colture raggiungono la stabilità della resa.

Comprendendo i modi specifici in cui le piante mantengono la resa alla fine della stagione, possiamo sfruttare la genetica sottostante in modo più efficiente.

Colture per il futuro

Una volta identificate le promettenti linee selvagge, il passo successivo sarà modificarle per adattarle alle pratiche agricole standard attraverso un processo noto come addomesticamento de novo.

Questo metodo accelera il processo che gli esseri umani hanno utilizzato per migliaia di anni per selezionare e allevare colture migliori. Invece di aspettare generazioni, utilizziamo tecniche di selezione avanzate per aggiungere rapidamente i tratti positivi comuni nelle colture domestiche direttamente alle piante selvatiche e resistenti allo stress.

Queste modifiche genetiche non transgeniche producono raccolti più facili da coltivare utilizzando pratiche di gestione standard.

Utilizzando il telerilevamento iperspettrale per identificare le linee selvatiche candidate e l'addomesticamento de novo per renderle accessibili e desiderabili per i coltivatori, possiamo rivoluzionare lo sviluppo delle colture, adattando le piante ai cambiamenti climatici per soddisfare la crescente domanda alimentare globale.