E’ possibile incrementare la produttività della soia ottimizzando il suo indice di area fogliare (LAI)

Un gruppo di ricercatori dell'Università dell'Illinois Urbana-Champaign ha indagato l’effetto della forma delle foglie sulla distribuzione della luce all’interno della chioma delle coltivazioni e quanto la modificazione, per via genetica, della loro dimensione possa essere d’aiuto per migliorare la capacità di fotosintesi

Si tratta di uno studio a cavallo tra la fisiologia della pianta, dei sistemi colturali (crop-physiology) e la genetica; infatti mentre la fisiologia vegetale studia le variabili che influiscono sull’entità del processo fotosintetico a livello di pianta; la crop-physiology punta ad incrementare la produzione ottimizzando la radiazione solare captata dall’intera coltivazione, al variare degli indici fogliari (es. LAI, CGR); in tal senso la moderna genetica può fare la differenza nella direzione di ottenere piante, in cui i detti parametri fogliari risultino ottimizzati.

Uno degli aspetti chiave al fine di incrementare l’attività fotosintetica è di aumentare la superficie fotosintetizzante, senza che le foglie si ombreggino tra loro e anche cercando di evitare che si determini un forte riscaldamento della lamina fogliare, che la costringerebbe a chiudere gli stomi nella fase oscura della fotosintesi. In tale fase (notturna) la pianta ha necessità di assorbire anidride carbonica per produrre zuccheri, utilizzando l’energia prodotta nella fase luminosa (diurna). Tale ottimizzazione può essere ottenuta attraverso piante dotate di molte foglie, ma più piccole.

Pertanto il gruppo di ricerca dell’università dell’Illinois ha modificato, per via biotecnologica, la forma delle foglie di soia, riuscendo poi a riscontrare che quando sono più strette possono migliorare l'efficienza di utilizzo della luce disponibile.

I risultati dello studio sono stati pubblicati sulla rivista Plant Physiology. L’attività di ricerca effettuata è stata guidata da Lisa Ainsworth, direttrice del Progetto RIPE, una collaborazione di ricerca internazionale focalizzata sul miglioramento dell'utilizzo della luce solare, da parte delle colture alimentari. Lisa Ainsworth, nell’ambito del progetto RIPE è direttrice del Dipartimento sulla Crop Physiology, nel cui ambito lo studio di cui qui si riferisce rientra nella linea di ricerca, avente il fine di ottimizzare le chiome delle piante coltivate.
Lo studio è stato finanziato dalla Gates Agricultural Innovations (Gates Ag One), una fondazione di ricerca di Bill Gates, proprietario della Microsoft.

Come ha affermato Bishal Tamang, ricercatore di post-dottorato del gruppo della Dottoressa Ainsworth e autore principale della pubblicazione: “Semplicemente modificando la forma della foglia da larga a stretta, attraverso un singolo gene, abbiamo ridotto la superficie fogliare totale delle nostre piante di soia del 13% senza alcuna perdita di resa. Questo significa che le piante stanno producendo di più con meno: stanno essenzialmente diventando più efficienti nel convertire la luce solare in semi.”

Si trattava fondamentalmente di ottimizzare la struttura della chioma, poiché tale carattere nelle moderne varietà, non era stato oggetto di selezione miglioratrice, con il risultato di determinarsi uno sviluppo disordinato della chioma, come se fosse disposta secondo strati, tra i quali quelli superiori, al crescere delle piante, finiscono con l’ombreggiare quelli inferiori e la parte interna della chioma. Tale sgradevole morfologia della pianta dipende da un’accentuata variazione, nelle moderne varietà risultanti da miglioramento genetico, della superficie fogliare e quindi delle dimensioni delle foglie.
Quindi l’obiettivo finale di questo studio era di modificare un poco le tecniche di miglioramento genetico, per evitare un notevole spreco di energia e quindi di elaborati fotosintetici, dalla cui ossidazione deriva l’energia necessaria a sostenere i processi metabolici della pianta.

Come ha riferito detto il Dottor Tamang: “Si può immaginare che quando le foglie siano grandi e rotonde, la parte superiore della pianta ricopra l'intera chioma e la parte inferiore sia spesso priva di luce. Ma se rendiamo le foglie strette, ne apriamo il profilo verticale. Il che significa che stiamo migliorando l'efficienza luminosa della pianta.”

Come riportato dai ricercatori, il carattere fenotipico “foglie strette” nelle piante di soia è controllato da un singolo gene, denominato “GmJAG1”. Durante questo studio sperimentale essi ne hanno alterato l'espressione genica, sviluppando in tal modo 204 diverse linee di piante di soia, portatrici di un'ampia varietà di forme fogliari.

Per ciascuna linea di soia prodotta è stata poi determinata la produttività (numero di semi di soia per pianta e il numero di semi per baccello) e confrontata, al suo variare, con l'indice di area fogliare (LAI = area delle foglie per unità di superficie del terreno), per arrivare a capire se le chiome di piante di soia dotate di foglie strette avessero una migliore efficienza di utilizzo della luce.

I risultati hanno mostrato che, riducendo fino a una quantità del 13%, la larghezza delle foglie e quindi l'area fogliare, non si verificava alcun impatto negativo sulla resa della soia, ma anzi la luce penetrava meglio all’interno della chioma, determinando la formazione di un maggior numero di baccelli, aventi fino a 4 semi per baccello.

Questi risultati mettono in discussione le tradizionali strategie di miglioramento genetico della soia, che hanno portato ad avere piante nelle quali la luce penetra in maniera non ottimale nella chioma.
Come ha affermato la Dottoressa Ainsworth: “Nel progetto RIPE, stiamo testando diverse strategie transgeniche per migliorare l'efficienza della fotosintesi. Abbiamo utilizzato modelli computazionali per dimostrare che molte di queste strategie saranno più efficaci in un ambiente ad alta luminosità.
Le nostre linee di soia con area fogliare inferiore offrono un'architettura della chioma migliorata che riteniamo aumenterà la probabilità di ottenere una maggiore efficienza fotosintetica con i nostri approcci transgenici".

In studi futuri i ricercatori pensano di abbinare, a questa strategia di miglioramento, altre ugualmente indirizzate verso l'aumento di efficienza nell'uso di luce, acqua e nutrienti.
Come ha affermato la Dott.ssa Ainswort: “Oltre a migliorare la fotosintesi e la resa della chioma, vogliamo anche migliorare l'efficienza nell'uso dell'acqua delle nostre colture per affrontare un mondo più caldo con una maggiore domanda di evaporazione”.