Alcune scoperte avvengono per caso. Considera come il 28 settembre 1928, spiegata:Alexander Fleming, tornato in laboratorio dopo una vacanza con la famiglia, stava smistando piastre di Petri sporche che non erano state pulite prima che se ne andasse. Una muffa che cresceva su uno dei piatti attirò la sua attenzione e così iniziò la storia del primo antibiotico al mondo:la penicillina.

Recentemente, presso l'Università del Delaware, le piante non sono state annaffiate durante un lungo weekend durante un piccolo esperimento di botanica. Ciò ha portato ora a una scoperta intrigante, soprattutto per le aree del globo duramente colpite dalla siccità:il West americano, Europa, Australia, porzioni d'Africa, Sud-Est asiatico e Sud America, tra loro.

Gli scienziati del clima affermano che dovremmo aspettarci siccità più frequenti e gravi negli anni a venire, mentre gli esperti di popolazione prevedono un aumento del 30% circa della popolazione mondiale, a più di 9 miliardi entro il 2050. Come faremo a coltivare cibo a sufficienza per tutti sotto tali pressioni, e farlo in modo sostenibile? Secondo questa ricerca UD, la risposta potrebbe trovarsi proprio sotto i nostri piedi.

Alla scoperta di un combattente contro la siccità

Torna a quell'esperimento UD. Tornando al laboratorio che il lunedì mattina seguente, l'assistente post-dottorato ha trovato un vassoio di piantine appassite, disordine trasandato, mentre l'altro vassoio di piantine era sull'attenti. L'unica differenza tra i vassoi:il terreno degli esemplari rigogliosi era stato spruzzato con Bacillus subtilis (UD1022), un ceppo di batteri scoperto diversi anni fa all'UD da un gruppo di ricerca guidato dal professor Harsh Bais del Dipartimento di Scienze delle piante e del suolo.

Il team di Bais ha determinato che questi microbi, che vivono sulla superficie delle radici e nel terreno circostante, innescare aperture simili a pori sulle foglie, chiamati stomi, chiudere bene per tenere fuori gli agenti patogeni e proteggere le piante dalla disidratazione.

Dopo che il laboratorio Bais ha pubblicato sull'opera, Professor Yan Jin, un fisico del suolo nel dipartimento, si è avvicinato a Bais chiedendogli di guardare più in profondità per vedere se i microbi possono avere un impatto sul suolo reale in cui vivono.

"C'è una grande lacuna nella nostra comprensione di come i microbi benigni possono influenzare la cosiddetta 'acqua verde', l'acqua nel suolo che è disponibile per le piante, " ha spiegato Jin.

Voleva sapere se l'UD1022 può modificare le proprietà del suolo:la sua struttura, chimica, come sono distribuiti i pori del suolo e come cambiano le loro dimensioni, in relazione alla fornitura di acqua verde. Voleva sapere esattamente cosa stava succedendo nel terreno e si è impegnata a trovare la risposta.

In un articolo pubblicato di recente su Ricerca sulle risorse idriche , Jin e il suo team di UD, insieme ai colleghi del National Institute of Standards and Technology (NIST), confermano che il microbo benefico UD1022 riduce l'evaporazione e aumenta la capacità del suolo di trattenere l'acqua. Utilizzando tecniche all'avanguardia, lo studio fornisce analisi dettagliate di come i microbi interagiscono con le particelle del suolo per modificare fisicamente l'ecosistema sotterraneo e aiutare le piante a tollerare la siccità.

Come i microbi trattengono l'acqua

Gli esperimenti sono stati condotti sia nel laboratorio dell'UD, e utilizzando l'imaging di neutroni ad alta potenza al NIST per scrutare nel terreno e registrare ciò che stava accadendo.

In una camera ad ambiente chiuso presso l'UD College of Agriculture and Natural Resources, il ricercatore post-dottorato Wenjuan Zheng e lo studente di master Saiqi Zeng hanno lavorato con due campioni di terreno alla volta, un campione di controllo e un campione trattato con i microbi UD1022, e hanno misurato continuamente le caratteristiche di ritenzione idrica del terreno e il tasso di evaporazione dell'acqua mentre il terreno veniva essiccato nella camera. Gli esperimenti sono stati condotti per diversi terreni a tessitura:sabbia, campioni di terreno sabbioso e ricco di argilla, prelevato dalla fattoria UD e da una stazione di sperimentazione agricola a Georgetown, Delaware.

Per determinare cosa stava succedendo nei campioni di suolo, il team si è affidato alle capacità di imaging della radiografia a neutroni del NIST.

"I neutroni possono 'vedere' l'acqua, " disse Jin. "Poiché interagiscono fortemente con l'idrogeno, forniscono una tecnica non distruttiva ideale per esaminare la distribuzione dell'acqua in materiali delicati come i nostri campioni di terreno contenenti microbi, in tempo reale."

"Ci siamo sentiti molto fortunati di aver trovato il NIST e di poter utilizzare le loro strutture di imaging, Jin ha aggiunto. "Questa collaborazione è stata fondamentale per il nostro lavoro".

Piccole colonne sono state riempite di terra:una colonna è stata trattata con i microbi UD1022 e l'altra colonna non è stata trattata. Quindi le colonne sono state saturate con acqua, e l'imaging a neutroni ha registrato il processo di evaporazione. Un totale di 1, Sono state scattate 500 singole immagini di ciascun campione in un periodo di circa nove ore. Hanno fornito uno sguardo dettagliato sulla distribuzione dell'acqua nei campioni, così come le dinamiche di evaporazione in tempo reale. Un microscopio elettronico a scansione ad alta potenza (SEM) ha aiutato a scoprire cosa stavano facendo i microbi nei campioni.

E in che modo questi minuscoli organismi (UD1022) aiutano il terreno a trattenere l'acqua?

"Questo effetto è causato dalla capacità dei microbi di formare una rete gelatinosa, un biofilm da una complessa miscela di polisaccaridi, proteine, lipidi, vitamine e zuccheri, " ha detto Zheng, il primo autore sulla carta. All'epoca era una associata post-dottorato ed è ora ricercatrice senior presso il Dipartimento di Meccanica e Ingegneria Aerospaziale presso la Southern University of Science and Technology, Cina.

"È come se i batteri costruissero queste casette da soli, " ha detto Zheng.

Il biofilm generato dai batteri agisce come una colla per formare "aggregati di suolo" che possono trattenere più acqua nei loro pori.

Questi microrganismi e la loro matrice collosa possono più che portare il proprio peso. "Hanno dimostrato di trattenere l'acqua come una spugna, assorbendo 10 volte più acqua del loro peso a secco, " Zheng ha osservato. "Questo biofilm naturale modifica le proprietà del suolo, portando ad una più lenta evaporazione. Questo può rendere più acqua disponibile per le piante, oltre ad aumentare il tempo a disposizione delle piante per adattarsi metabolicamente allo stress della siccità".

Mentre gran parte della costa orientale degli Stati Uniti ha avuto un'estate piena di acqua e l'inizio dell'autunno, altre aree del paese e molte altre nazioni stanno soffrendo incessantemente, e in alcuni casi, pericolo di vita, siccità. Jin spera che l'UD1022 possa svolgere un ruolo positivo nell'agricoltura in queste regioni aride, poiché la popolazione globale cresce di soppiatto.

"Cosa possiamo fare per garantire la sicurezza alimentare?" chiese Jin. "Le piante potrebbero essere geneticamente modificate, ma ci vuole molto tempo. Molte aziende vendono biofertilizzanti per superare questi problemi:a volte funzionano, ma più spesso non lo fanno. Ecco perché la ricerca di base è fondamentale per aiutarci a comprendere i meccanismi in atto. Comprendendo le interazioni tra le radici delle piante e il microbioma del suolo, una risorsa sotterranea in gran parte non sfruttata, speriamo di sviluppare nuove tecnologie che aumenteranno la produzione di cibo e allo stesso tempo ridurranno l'uso di fertilizzanti chimici".