Uno studio migliora la comprensione dei meccanismi che sottendono l'efficacia degli inoculi artificiali di rizobio delle leguminose

L'inoculo con Rizobii di piante leguminose (es. soia, arachidi, piselli e fagiolini) è una pratica spesso suggerita per incrementare la produzione, anche in quelle coltivazioni in cui è abituale lo sviluppo naturale dei tipici noduli radicali, in cui vivono tali batteri simbionti. L'azoto-fissazione compiuta dai Rizobii ha rilevante importanza per risparmiare nella somministrazione di azoto chimico e ridurre, per conseguenza, anche l'inquinamento collegato alla somministrazione di sue eccessive dosi

I rizobi azoto-fissatori, crescendo nei noduli radicali, si avvalgono dei carboidrati prodotti dalle piante, con cui crescono in simbiosi, rilasciando in cambio azoto fissato dall'atmosfera.
Spesso i tecnici operativi in campo si accorgono che l'inoculo di ceppi di rizobii clonati non sortisce l'effetto voluto di determinare una più rapida attivazione dell'azoto-fissazione simbionte. Nel terreno avvengono infatti interazioni tra microrganismi a ridosso dell'apparato radicale delle piante e, nel caso dei rizobii, i ceppi batterici azoto-fissatori, naturalmente presenti nel terreno vanno a interferire con quelli selezionati in laboratorio (per essere maggiormente efficienti nell'azoto-fissazione): ciò è in grado di spiegare perché si verifichi una minore efficienza dei ceppi selezionati in laboratorio.

Una ricerca che è stata compiuta presso l'università di Riverside (California)col supporto della National Science Foundation (USA) e del Ministero dell'Agricoltura ha permesso di determinare le cause di tale inefficienza. Il gruppo di ricerca era diretto da Joel Sachs, professore di evoluzione, ecologia e biologia degli organismi. Il professor Sachs ha spiegato più dettagliatamente quanto sopra accennato: 'Si potrebbe pensare che l'uso di rizobi come inoculanti dovrebbe consentire ai coltivatori di ridurre al minimo l'uso di azoto chimico, che è dannoso per l'ambiente. Ma tale inoculazione rizobica raramente ha successo.
Quando i coltivatori inoculano le loro colture con rizobi ​​di alta qualità – ceppi che fissano molto azoto – questi ceppi 'd’élite' vengono superati dai rizobi indigeni che sono già nel terreno e forniscono poco o nessun beneficio agli ospiti'.

Il laboratorio del professor Sachs studia i rizobi, batteri che promuovono la crescita delle piante.
'Più specificamente,' come egli ha spiegato, 'abbiamo scoperto che la competizione tra ceppi che si verifica nel terreno prima che i batteri infettino la pianta fa sì che meno batteri colonizzino la pianta, con il risultato che alla fine essa ottenga benefici minori'.
Tale problema non si evidenzia in laboratorio, poiché in condizioni artificiali è diffusa l'abitudine di riprodurre (solo) singoli cloni di Rizobi, che pertanto manifestano una (solo) potenziale capacità azoto-fissatrice, che invece in campo risulta fortemente diminuita per effetto della competizione con i ceppi pre-esistenti nel suolo.
Come riferisce Sachs: 'Per comprendere la simbiosi, spesso utilizziamo condizioni sterili in cui un ceppo di batteri viene 'inoculato' o introdotto in un ospite altrimenti sterile'.

Partendo da questa considerazione i ricercatori hanno quindi iniziato a provare, in laboratorio, nuovi ceppi di rizobii, non più da soli, ma almeno in coppia con un altro ceppo, con cui competevano. L'obiettivo era di rendere prossime alla realtà, le misurazioni sperimentali dell'efficienza azoto-fissatrice dei ceppi di rizobii provati.
I ricercatori del laboratorio del professor Sachs hanno utilizzato per le loro prove una leguminosa della California, l'Acmispon strigosus (=Lotus strigosus), e una serie di otto ceppi batterici compatibili che fissano l'azoto. Hanno infettato alcune piante con ciascuno degli otto ceppi per misurare direttamente la loro capacità di infettare le piante e fornire benefici. Hanno poi infettato altre piante con coppie di ceppi batterici per valutare la capacità competitiva di ciascun ceppo e l’effetto sulle prestazioni delle piante.

Nei loro esperimenti, Sachs e i suoi colleghi hanno utilizzato ceppi batterici di cui avevano sequenziato il genoma. Hanno inoltre caratterizzato i ceppi, che variavano da altamente benefici a inefficaci, nella fissazione dell'azoto, per sapere esattamente quanto fossero benefici per le specie vegetali target.
'I nostri esperimenti mostrano che rendere quel sistema leggermente più complesso – semplicemente utilizzando due ceppi batterici alla volta – sposta radicalmente l’equilibrio dei benefici che ricevono gli ospiti, rimodellando la nostra comprensione di come funziona la simbiosi'.
Procedendo in tal modo i ricercatori sono arrivati a concludere che la competizione tra ceppi di batteri benefici nel suolo riduce il beneficio che essi possono fornire ai loro ospiti.

Successivamente, i ricercatori hanno sviluppato modelli matematici per prevedere i benefici che avrebbero ottenuto piante inoculate con due diversi ceppi di rizobio, in base alle aspettative delle piante in cui fosse stato inoculato un solo ceppo. Ciò ha permesso loro di calcolare il deficit di crescita causato dalla competizione tra ceppi.
'I nostri modelli hanno mostrato che le piante inoculate hanno ottenuto benefici molto inferiori dalla simbiosi rispetto a quanto ci si potrebbe aspettare dalle infezioni clonali', ha affermato Arafat Rahman, ex studente laureato nel laboratorio di Sachs e primo autore del documento di ricerca.
'Mentre i batteri benefici funzionano bene in laboratorio, vengono superati nella competizione nell’ambiente naturale. In definitiva, vogliamo trovare un ceppo di batteri – o un insieme di essi – che dia il massimo beneficio alla pianta ospite e sia competitivo contro i ceppi batterici già presenti nel terreno'.

Sachs ha spiegato che per scoprire e sviluppare un ceppo batterico altamente benefico per le piante, gli scienziati devono condurre esperimenti in condizioni più prossime possibile a quelle di campo.
'In definitiva, vogliamo utilizzare batteri benefici in agricoltura', ha affermato. 'Per identificare questi batteri, in genere aggiungiamo un ceppo batterico a una pianta in laboratorio e mostriamo che la pianta cresce molto meglio con il ceppo che senza. Sul campo, però, quella pianta è ricoperta di vari microrganismi, complicando la storia. Nei nostri esperimenti, siamo passati dall'utilizzare un ceppo a un paio di ceppi per vedere quale impatto ha sulla crescita delle piante. È interessante notare che, con solo due ceppi, molte delle nostre previsioni sono andate in pezzi'.

Il dott. Rahman ha quindi evidenziato che, sebbene siano necessari esperimenti per accertare quanto sia benefico un ceppo batterico ai fini dell'azoto-fissazione, sono necessari anche esperimenti che testino quanto il detto ceppo sia competitivo rispetto a un gruppo di altri ceppi batterici.
'Entrambi i passaggi sono cruciali', ha affermato. 'Il nostro lavoro ha scoperto che alcune delle migliori varietà possono essere estremamente benefiche per la crescita delle piante, ma non appena le si accoppia con qualsiasi altra varietà, tale beneficio si riduce notevolmente. Inoltre, è importante sapere in quale fase avviene la competizione tra ceppi: prima che i batteri interagiscano con la pianta o dopo? Il nostro lavoro suggerisce che si tratti della prima ipotesi e fornisce una guida utile per progettare esperimenti futuri volti a scoprire ceppi più adatti alla distribuzione nelle colture'.

Il professor Sachs ha affermato che in molti dei progetti sperimentali attuali l’attenzione è rivolta ai benefici per le piante.
'È importante, tuttavia, tenere presente che i batteri sono modellati dalla selezione naturale', ha affermato. 'Alcuni di loro potrebbero essere altamente competitivi nell’entrare nel nodulo per infettare la pianta, ma non essere molto benefici per la pianta e questa potrebbe essere una caratteristica vincente in natura. Se vogliamo sfruttare le comunità microbiche per i servizi che possono fornire a piante e animali, dobbiamo comprendere le dinamiche tra ceppi in queste comunità'.
Rivelando che le dinamiche interceppo possono ridurre i benefici della simbiosi, il nostro lavoro ha aperto nuove strade di ricerca per migliorare le pratiche agricole sostenibili».

Sachs e Rahman sono stati affiancati nello studio da Max Manci, Cassandra Nadon, Ivan A. Perez, Warisha F. Farsamin, Matthew T. Lampe, Tram H. Le e Lorena Torres Martínez dell'UCR, e Alexandra J. Weisberg e Jeff H Chang dell'Università statale dell'Oregon. Rahman intende unirsi alla Oregon State University come ricercatore post-dottorato.