Le piante di fagiolo che sopprimono la crescita delle radici secondarie a favore di un aumento della crescita delle radici primarie foraggiano un volume di terreno maggiore per acquisire fosforo, secondo i ricercatori della Penn State, che affermano che le loro recenti scoperte hanno implicazioni per i coltivatori di piante e il miglioramento della produttività delle colture in terreni poveri di nutrienti. L'aumento della lunghezza della radice è indicato come crescita primaria, mentre la crescita secondaria è l'aumento di spessore o circonferenza della radice. Poiché la crescita delle radici conferisce un costo metabolico alla pianta, piante di fagioli che crescono in terreni impoveriti di fosforo che emettono più a lungo, le radici più sottili hanno il vantaggio di esplorare un volume maggiore di terreno e acquisire più fosforo.

"Come strategia naturale per le piante per affrontare lo stress da fosforo, è un vincitore, " ha detto il ricercatore capo Christopher Strock, uno studente di dottorato di biologia vegetale presso la Facoltà di Scienze Agrarie. "Questo è importante perché la maggior parte dei terreni in tutto il mondo sono carenti di fosforo, e i tratti delle radici che migliorano l'acquisizione del fosforo non solo possono aiutare a migliorare l'efficienza dell'assorbimento dei fertilizzanti per gli agricoltori qui negli Stati Uniti, ma anche a beneficio degli agricoltori nei paesi in via di sviluppo che non hanno accesso ai fertilizzanti fosfatici".

I ricercatori hanno usato il fagiolo comune come modello per questa ricerca perché è una delle colture più fondamentali che contribuiscono alla sicurezza alimentare, con un volume maggiore per il consumo umano diretto rispetto a qualsiasi altro legume da granella. È particolarmente importante in tutto il mondo in via di sviluppo nell'Africa subsahariana e nell'America centrale e meridionale, dove le persone non hanno ampio accesso alle proteine ​​animali. In quelle regioni, i fagioli sono una fonte primaria di proteine ​​e nutrimento. Nonostante l'importanza di questa coltura, le rese in gran parte del mondo sono limitate da suoli che sono acidi ed estremamente impoveriti di fosfato, uno dei principali nutrienti di cui le piante hanno bisogno per crescere.

"Se siamo in grado di identificare i tratti della radice che migliorano l'efficienza del foraggiamento, possiamo sviluppare nuove cultivar che hanno una maggiore capacità di assorbire fosforo, e hanno migliorato i rendimenti in questi ambienti, " ha detto Strock.

Nella conduzione dello studio, che è stato pubblicato nel numero di questo mese di Fisiologia vegetale , i ricercatori hanno utilizzato tecniche di modellazione al computer e sono cresciuti ricombinanti, linee consanguinee di fagiolo comune per capire come le piante allocano risorse alla crescita delle radici primarie e secondarie sotto stress da fosforo. Le piante sono state coltivate in entrambe le condizioni di serra, nel campus della Penn State's University Park, e in campi selezionati presso il Russell E. Larson Agricultural Research Center dell'università a Rock Springs.

Normalmente, I suoli della Pennsylvania conterrebbero troppo fosforo per consentire esperimenti sul campo sullo stress da fosforo, ma il gruppo di ricerca di Jonathan Lynch, illustre professore universitario di scienze vegetali, ha sviluppato una tecnica per creare trame sperimentali che replicano le condizioni impoverite di fosforo dei suoli tropicali di ossisol presso l'impianto di Larson. Ciò è stato ottenuto aggiungendo camion di pellet di ossido di alluminio ai campi, che lega il fosforo nel terreno, rendendolo inaccessibile alle piante.

Un'altra caratteristica esclusiva del laboratorio Lynch è l'uso della tomografia ad ablazione laser per sezionare e misurare l'anatomia della radice. Questa tecnica rivoluzionaria, inventato dal laboratorio Lynch, non solo consente una maggiore precisione nelle osservazioni dell'anatomia radicolare, ma offre anche ai ricercatori la possibilità di campionare rapidamente centinaia di campioni di radici al giorno, un'attività che richiederebbe una quantità di lavoro e tempo poco pratica utilizzando i metodi tradizionali.

Le differenze nella crescita delle piante di fagioli osservate dai ricercatori sono state sorprendenti. Nel trattamento dello stress da fosforo, i genotipi con una maggiore riduzione della crescita delle radici secondarie avevano una maggiore lunghezza delle radici, ha preso più fosforo, e aveva germogli più grandi rispetto ai genotipi con una maggiore crescita delle radici secondarie. "Tutti i genotipi che abbiamo esaminato hanno soppresso la loro crescita delle radici secondarie sotto stress da fosforo, ma alcuni hanno mostrato questa risposta molto più fortemente di altri, " disse Strock. "E quelli che sopprimevano di più la loro crescita secondaria, hanno funzionato meglio sotto stress da fosforo perché sono stati in grado di prendere le risorse che avrebbero messo nella crescita secondaria e aumentare la lunghezza delle radici per cercare più fosforo".

Lynch ha notato che il suo gruppo di ricerca collabora direttamente con i coltivatori di piante presso il Dipartimento dell'Agricoltura degli Stati Uniti e i centri agricoli in Colombia, Honduras, Mozambico, Zambia e Malawi. Gli allevatori stanno attualmente incorporando altre scoperte dal suo laboratorio e stanno rilasciando diverse nuove varietà di fagioli con caratteristiche radicali migliorate per l'acquisizione di fosforo agli agricoltori in Mozambico e Zambia.

"Il nostro obiettivo in questo laboratorio è identificare tratti come la ridotta crescita delle radici secondarie che possiamo trasmettere agli allevatori in modo che possano incorporarli nei loro programmi di allevamento, " ha detto Lynch. "Lavorando con i nostri partner di allevamento, si possono sviluppare varietà di fagiolo comune che hanno una ridotta crescita delle radici secondarie e quindi una resa migliore in terreni poveri, che sarà un enorme vantaggio per i piccoli agricoltori, che si affidano ai fagioli per il cibo e il reddito."