A un bambino, il suolo è solo terra:una casa per i vermi. A un giardiniere, il suolo è un insieme di materia organica e sostanze nutritive. Ma alle piante, il suolo è un focolaio di attività chimica. E le piante non si limitano a osservare, partecipano attivamente a questa attività.

Le piante rilasciano sostanze chimiche nel terreno, chiamati essudati, che dicono ai microbi di attivare o disattivare determinati processi chimici. Gli scienziati stanno iniziando a comprendere questi segnali e sperano di sfruttarli per migliorare l'efficienza, sostenibilità e impatto ambientale dell'industria agricola da trilioni di dollari.

I tre principali nutrienti di cui le piante hanno bisogno per crescere sono il carbonio, azoto e fosforo. Il fabbisogno di carbonio di una pianta proviene dall'aria sotto forma di anidride carbonica, ma il fabbisogno di azoto e fosforo viene dal suolo, e spesso l'azoto è naturalmente l'elemento più scarso – e quindi per aumentare i loro raccolti, gli agricoltori aggiungono azoto al terreno.

Il fertilizzante azotato artificiale è una componente essenziale di un sistema agricolo che nutre più di 7 miliardi di persone, ma comporta un enorme costo ambientale. Man mano che la popolazione cresce, e poiché le abitudini alimentari cambiano verso diete più a base di carne, l'inquinamento da azoto sembra destinato a diventare un problema ancora maggiore.

Lotta all'inquinamento da azoto

"La misura in cui ci siamo intromessi nel ciclo dell'azoto a livello globale è sorprendente, "dice il professor Herbert Kronzucker, capo della School of BioSciences dell'Università di Melbourne.

"210 milioni di tonnellate di azoto all'anno vengono prelevate dall'atmosfera e trasformate in una forma solida di azoto attraverso le attività umane. E la maggior parte di questo finisce come fertilizzante nei terreni agricoli.

"Ma meno della metà di questo può essere effettivamente catturato dalle piante. Il resto viene disperso nell'atmosfera sotto forma di gas azoto o protossido di azoto, gas serra, o liscivia nei corsi d'acqua dove è un importante inquinante.

"Negli Stati Uniti, più della metà di tutti i laghi sono gravemente colpiti da troppo azoto o fosforo".

Ma cosa succede se invece di aggiungere sempre più azoto al terreno, aiutiamo le piante a utilizzare meglio l'azoto che c'è già?

Il professor Kronzucker e i suoi colleghi dell'Università di Toronto, La Laval University e l'Accademia cinese delle scienze sono alla ricerca di colture che comunichino con il suolo in modo da ridurre il fabbisogno di azoto.

"Ci siamo interessati alla relazione tra le sostanze chimiche delle piante e l'impatto che queste hanno sui microbi del suolo, "dice il professor Kronzucker.

ingerenza umana

L'azoto assume molte forme chimiche. Le forme più utili per la crescita delle piante sono il nitrato (NO3-) e l'ammoniaca (NH3). I processi chimici nel suolo trasformano l'azoto tra queste e altre forme.

Un esempio è un processo chiamato nitrificazione, che trasforma l'ammoniaca in nitrato. Il nitrato è problematico nel terreno perché, mentre le piante lo adorano, non si attacca come fa l'ammoniaca. Tende a dissolversi in acqua e viene dilavato dal terreno attraverso la pioggia e le falde acquifere. Anche, i microbi del suolo trasformano il nitrato in gas azoto, che è inutile per le piante.

Tutti questi processi sono reversibili, e infine il gas azoto viene restituito al suolo attraverso un altro processo microbico chiamato fissazione dell'azoto, ma questo processo è troppo lento per i sistemi agricoli industriali. Gli agricoltori devono continuare ad aggiungere sempre più azoto, e di solito questo è sotto forma di fertilizzanti azotati artificiali.

Questi fertilizzanti sono prodotti utilizzando un processo industriale ad alta intensità energetica che "fissa" il gas azoto trasformandolo in ammoniaca. Questo processo, chiamato processo Haber-Bosch, è stato un fattore importante nella Rivoluzione Verde iniziata negli anni '60 e che ora fornisce cibo a più di 7 miliardi di persone.

Negli ultimi anni, l'attività umana ha più che raddoppiato la quantità di azoto che entra nel suolo terrestre. E metà di questo azoto aggiuntivo viene sprecato. Ma il professor Kronzucker dice che non deve essere così.

Le piante che crescono in aree con disponibilità di azoto bassa o intermittente producono essudati che possono bloccare o migliorare le trasformazioni dell'azoto nel suolo per migliorare l'assorbimento di azoto quando la disponibilità di azoto nel suolo è bassa.

Il potenziale degli essudati vegetali

Il professor Kronzucker ha iniziato a studiare come gli essudati delle piante interagiscono con la chimica dell'azoto del suolo negli alberi forestali del Canada. Ma da allora è diventato più interessato al modo in cui questa interazione funziona con le principali piante coltivate del mondo.

L'anno scorso il suo gruppo ha pubblicato la sua ricerca sugli essudati vegetali dal riso.

"Il riso nutre tre miliardi di persone, ma non era stato studiato per i suoi essudati vegetali, "dice il professor Kronzucker.

Hanno scoperto che tutti i ceppi di riso che hanno testato avevano essudati che potevano avere un impatto sull'azoto del suolo.

"Questo è un cambio di paradigma. Ovunque guardiamo, troviamo qualcosa, "dice il professor Kronzucker.

Il team ha quindi iniziato a rivedere tutti gli studi esistenti sugli essudati delle piante nel riso, grano e mais. Erano particolarmente interessati alle sostanze chimiche che inibiscono specificamente la nitrificazione, il processo che trasforma l'ammoniaca in nitrato.

Questo lavoro è pubblicato in piante naturali .

Hanno scoperto che si sa molto poco di questi inibitori biologici della nitrificazione (BNI) negli essudati radicali di grano e mais, i due maggiori raccolti mondiali dopo il riso. Infatti, non si sa assolutamente nulla dei BNI nel mais.

Dalla sua esperienza con il riso, Il professor Kronzucker pensa che questi essudati si troveranno nel grano e nel mais, dobbiamo solo cercarli.

Man mano che acquisiamo una migliore comprensione di come le piante parlano al suolo, queste scoperte potrebbero portare a nuove tecniche di coltivazione, additivi artificiali del suolo, o modificazione genetica per produrre ceppi di colture in grado di limitare la perdita di azoto. Però, Il professor Kronzucker afferma che esiste un "enorme potenziale" nel semplice screening delle cultivar di riso esistenti, frumento e mais per le "superstar dell'azoto".

"Se fai bene il lavoro di screening con i tipi di genotipi esistenti, non devi guardare alla modificazione genetica, " lui dice.

Una nuova rivoluzione verde

Il professor Kronzucker non è sorpreso che la radice essuda dal riso, grano e mais sono così poco conosciuti. Nei paesi sviluppati, i fertilizzanti azotati sono relativamente economici e gli agricoltori sono stati poco incentivati ​​a dedicare tempo o sforzi per ridurre l'uso di fertilizzanti. Perciò, c'è stato poco incentivo, o finanziamento, per la ricerca per aiutare in questo. Il professor Kronzucker pensa che questo cambierà.

"Ora abbiamo limiti di carbonio - abbiamo modi per ridurre le emissioni di carbonio. Abbiamo bisogno di modi simili per ridurre le emissioni di azoto. Le buone pratiche dovrebbero essere premiate, e le cattive pratiche dovrebbero essere sanzionate".

Spera che questo porti a una nuova rivoluzione verde.

"Dall'inizio della rivoluzione verde negli anni '60 abbiamo assistito a un successo fenomenale in termini di resa. Ma poiché i fertilizzanti erano così facilmente disponibili, la maggior parte delle cultivar sono state sviluppate in sistemi ad alto contenuto di azoto e alto fosforo, non sotto limitazione di nutrienti.

"Ora c'è uno spostamento verso cultivar efficienti dal punto di vista dei nutrienti. In alcune parti del pianeta gli agricoltori lo fanno per necessità, non hanno scelta. In Africa è tipico lavorare in condizioni limitate di nutrienti".

Il professor Kronzucker afferma che in posti come l'Africa si trovano le "superstar dell'azoto".

"In questi luoghi ci sono molti tesori che gli agricoltori hanno selezionato".