I modelli climatici globali prevedono che entro la fine di questo secolo la regione Mediterranea diventerà più arida per effetto combinato della diminuzione delle precipitazioni e dell’aumento dell’evapotraspirazione (IPCC, 2022). Numerosi fattori, tra cui gli impatti dei cambiamenti climatici, l’urbanizzazione, la crescita della popolazione e di conseguenza l’aumento della domanda di cibo, rendono l’acqua una risorsa sempre più limitante a livello globale.
Lo stress da siccità per le colture si riscontra quando l’acqua accessibile nel suolo è concentrata e le condizioni atmosferiche causano una perdita permanente di acqua per evaporazione o traspirazione (Akhtar e Nazir, 2013). La siccità, limitando la crescita e la produttività delle piante, rappresenta probabilmente il fattore più dannoso rispetto ad altri stress abiotici e biotici.
Comprendere le risposte delle piante all’aumento della carenza idrica è quindi fondamentale per la sostenibilità dell’agricoltura e per la sicurezza alimentare.
Mais e ibridi tolleranti alla siccità
Una coltura di grande interesse a livello globale, che sta ampiamente risentendo degli impatti negativi del cambiamento climatico, è il mais. Il mais (Zea mays L.) è una coltura estremamente diffusa e polivalente. Infatti, oltre ad avere il potenziale di produzione di granella più alto tra i cereali, la sua coltivazione può anche essere destinata alla produzione foraggio; può essere impiegato nell’industria alimentare e per la produzione di materiali come bioplastiche e fibre, ma anche nel settore dei biocarburanti per la produzione di etanolo.
L’Italia rappresenta il quarto produttore di mais in Unione Europea, tuttavia le recenti carenze idriche hanno costretto a ridurre gli apporti irrigui per l’agricoltura comportando abbassamenti nelle rese riducendo così l’interesse verso questa coltura. Infatti, negli ultimi anni, la coltivazione del mais in Italia ha subito importanti riduzioni con un dimezzamento delle superfici coltivate nel 2023 rispetto al 2012. Questo ha portato ad un forte incremento delle importazioni. Ricordiamo che il mais è una coltura che richiede una buona disponibilità idrica per ottenere produzioni economicamente sostenibili, basti pensare che la quasi totalità delle produzioni nazionali provengono solamente da cinque regioni: Piemonte, Lombardia, Veneto, Emilia Romagna e Friuli Venezia Giulia.
In Italia, le piogge si concentrano principalmente nelle prime fasi di crescita della coltura, mentre generalmente sono molto limitate durante l’estate, in concomitanza con la fioritura del mais. È noto che la fase che va dalla prefioritura allo sviluppo della granella rappresenta il momento più critico e in cui lo stress idrico comporta le maggiori perdite di resa.
I principali effetti dello stress idrico osservati sul mais sono: riduzione del verde fogliare, precoce senescenza e minor numero e dimensione delle foglie, con conseguente riduzione dell’efficienza fogliare e minore produzione di fotosintetati; riduzione della biomassa epigea con minore altezza delle piante, riduzioni della dimensione delle spighe e del peso delle cariossidi.
Un punto cruciale quindi, per incrementare la diffusione di questa coltura, è l’individuazione di ibridi dotati di buona tolleranza alla siccità. La tolleranza alla siccità può essere definita come la capacità della coltura di incrementare o mantenere stabili le rese in condizioni siccitose (Cooper et al. 2014). Per sopperire a questa problematica, recentemente, diverse aziende sementiere hanno incominciato a costituire e commercializzare ibridi tolleranti alla siccità. Lo sviluppo di questi ibridi ha lo scopo di fornire protezione sia da occasionali stress da siccità in aree in cui il mais è tradizionalmente coltivato, ma anche per migliorare la vitalità del mais in aree soggette a stress da siccità.
Nelle recenti applicazioni, gli ibridi di mais tolleranti alla siccità hanno consentito un buon grado di protezione contro lo stress da siccità, minimizzando la riduzione della resa, ma anche mantenendo un potenziale di resa comparabile in ambienti vocati. Infatti, un punto importante nello sviluppo di questi ibridi, oltre alla protezione dallo stress idrico, è quello di consentire rese paragonabili agli ibridi convenzionali in caso di umidità non limitante. Il potenziale beneficio degli ibridi tolleranti alla siccità può dipendere da numerosi fattori, come ad esempio l’intensità e la durata della siccità, dallo stadio fenologico della coltura e dai meccanismi che la pianta attua per limitare gli effetti negativi della siccità (Adee et al., 2016).
Attualmente la coltivazione di questi ibridi a livello mondiale, dato il recente sviluppo, non è ancora ampiamente diffusa, anche se in paesi come gli Stati Uniti si sta estendendo il loro utilizzo.
Parametri da valutare per la selezione di ibridi tolleranti alla siccità
La selezione genetica ha come obiettivo principale quello di minimizzare la riduzione delle rese in presenza di stress idrico rispetto alla crescita in condizioni favorevoli.
Per valutare l’effetto della siccità e quantificare lo stress per le piante di mais, possono essere analizzati numerosi indici e tratti specifici. Una valutazione importante riguarda il contenuto idrico all’interno degli organi vegetali; in particolare il potenziale idrico fogliare (Ψw) e il contenuto relativo di acqua (RWC). Inoltre, la risposta della pianta allo stress idrico può essere valutata utilizzando gli analizzatori di gas ad infrarossi (IRGA) che forniscono interessanti parametri come la conduttanza stomatica, i tassi fotosintetici e la traspirazione fogliare. In aggiunta, per comprendere gli effetti dello stress sulla fotosintesi, può essere studiata l’efficienza dei fotosistemi e l’emissione di fluorescenza clorofilliana, ottimi indicatori dello stato di salute delle colture.
Le piante possono attuare numerose strategie per ridurre l’impatto negativo dello stress. Ad esempio, si può verificare una maggiore produzione dell’ormone acido abscissico (ABA) che consente di innescare la sintesi di proteine e/o metaboliti di tolleranza allo stress. La pianta può anche produrre e accumulare dei soluti compatibili, per esempio la prolina, in modo da aumentare il potenziale osmotico per garantire una maggiore conservazione di acqua all’interno dei tessuti. Infatti, l’accumulo di soluti, consente di facilitare l’assorbimento dell’acqua dal suolo e il mantenimento del turgore fogliare.
Le piante nel corso della stagione di crescita, possono modificare la morfologia e la fisiologia stomatica in risposta alle condizioni ambientali. In particolare, in situazioni di stress idrico, le piante tendono a ridurre la dimensione degli stomi al fine di aumentare la rapidità e l’efficienza di apertura/chiusura stomatica. Infatti, stomi di ridotte dimensioni, generalmente hanno tempi di risposta più brevi agli stimoli ambientali che nel caso dello stress idrico, potrebbero consentire di ridurre le perdite per traspirazione.
Lo studio dei meccanismi fisiologi deve essere accompagnato all’osservazione dei parametri morfologici e fenologici. Per una comprensione ottimale delle strategie che attuano gli ibridi tolleranti alla siccità in risposta alla carenza idrica è necessario esaminare sia l’apparato epigeo che quello ipogeo, anche se è stato osservato che la risposta allo stress idrico è più evidente negli organi epigei rispetto alle radici.
Tuttavia, non è ancora chiaro quali strategie fisiologiche adottino questi ibridi promossi per resistere meglio in condizioni di carenza idrica. Comprendere i meccanismi fisiologici e i tratti morfologici alla base della tolleranza è fondamentale per lo sviluppo di nuovi ibridi. Una difficoltà nell’individuazione di questi tratti favorevoli, deriva dalla complessità che ritroviamo negli stress combinati, in particolare stress idrico e termico.
Per quanto detto, possono essere suggeriti dei tratti per la valutazione in campo dell’effettiva tolleranza alla siccità negli ibridi di mais. Un ibrido tollerante alla siccità dovrebbe avere un ottimo mantenimento del verde fogliare, una senescenza fogliare ritardata e un ridotto intervallo temporale tra fioritura maschile e femminile. In ambienti siccitosi, sono da preferire ibridi con foglie di dimensioni ridotte, bassa area fogliare specifica (SLA) e portamento eretto per ridurre le perdite di acqua per traspirazione, caratterizzati da elevata efficienza di utilizzo dell’acqua.
La comprensione delle peculiarità di radicazione rappresenta un punto rilevante per lo sviluppo di ibridi di mais dotati di elevata tolleranza. In particolare, apparati radicali che presentano un angolo di radicazione più ripido sono da privilegiare dato che consentono un maggior approfondimento radicale nel suolo per intercettare orizzonti più umidi.
Un altro importante fattore da considerare è la durata del ciclo colturale. In ambienti caratterizzati da alte temperature estive e scarse precipitazioni nel periodo primaverile-estivo, l’attenzione dovrebbe essere rivolta verso l’utilizzo di ibridi precoci, classe FAO 200 (86-95 giorni), 300 (96-105 giorni) e 400 (106-116 giorni). Una precocità del ciclo vegetativo, seppur a discapito di alte produzioni in granella e biomassa, consente di anticipare le fasi di fioritura ed allegagione, fasi molto delicate, evitando i periodi di massimo rischio di stress idrico.
L’adozione di ibridi tolleranti alla siccità, oltre a consentire la coltivazione del mais in aree meno vocate, potrebbe favorire la riduzione della domanda irrigua nelle tradizionali zone maidicole. Sarà quindi di grande importanza incrementare gli studi sugli ibridi tolleranti alla siccità, in particolare in ambienti ad alto rischio, valutando complessivamente le risposte morfologiche, fisiologiche e biochimiche al fine di fornire fondamentali informazioni per i programmi di selezione, che grazie al miglioramento genetico, potranno sviluppare ibridi sempre più idonei e specifici per i diversi areali di coltivazione.
Riferimenti
Adee, E., Roozeboom, K., Balboa, G. R., Schlegel, A., & Ciampitti, I. A. (2016). Drought-tolerant corn hybrids yield more in drought-stressed environments with no penalty in non-stressed environments. Frontiers in Plant Science, 7, 1534.
Akhtar, I., & Nazir, N. (2013). Effect of waterlogging and drought stress in plants. International Journal of water resources and environmental sciences, 2(2), 34-40.
Cooper, M., Gho, C., Leafgren, R., Tang, T., & Messina, C. (2014). Breeding drought-tolerant maize hybrids for the US corn-belt: discovery to product. Journal of Experimental Botany, 65(21), 6191-6204.
FAO, (2022). The State of the World’s Land and Water Resources for Food and Agriculture 2021 – Systems at breaking point.
IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change), (2022). Climate Change 2022: Impatti, adattamento e vulnerabilità; Focus su Europa e Mediterraneo.