Una nuova tecnologia osserva gli stomi vivi del mais mentre misura CO2 e acqua, avvicinando laboratorio e agricoltura di precisione
Indice
- Vedere gli stomi mentre la foglia scambia gas
- Il machine learning segue decine di minuscole aperture
- Perché può essere utile contro la siccità
- Una piccola finestra sul rapporto tra piante e clima
Una foglia di mais sotto il microscopio, decine di minuscole aperture che si allargano e si restringono e, nello stesso istante, strumenti che misurano quanta anidride carbonica entra e quanta acqua se ne va. Per la prima volta i ricercatori dell’Università dell’Illinois Urbana-Champaign sono riusciti a seguire in tempo reale il comportamento degli stomi collegandolo direttamente agli scambi gassosi della foglia.
Il sistema si chiama Stomata In-Sight ed è descritto in uno studio pubblicato su Plant Physiology. In pratica permette di vedere quelle minuscole “bocche” vegetali mentre fanno ciò che le piante fanno continuamente: cercare un equilibrio tra la CO2 necessaria alla fotosintesi e l’acqua che rischiano di perdere ogni volta che aprono la porta.
Gli stomi sono pori microscopici presenti sulla superficie delle foglie. Quando si aprono, l’anidride carbonica può entrare nei tessuti vegetali; contemporaneamente, però, esce vapore acqueo. La pianta deve quindi regolare di continuo quelle aperture in base alla luce, alla temperatura, all’umidità e alla concentrazione di CO2. Una trattativa microscopica che dura praticamente tutta la giornata.
Vedere gli stomi mentre la foglia scambia gas
Finora gli scienziati avevano strumenti molto efficaci per osservare gli stomi e altri altrettanto precisi per misurare fotosintesi e perdita d’acqua. Mettere insieme le due cose, nello stesso momento e sulla stessa foglia viva, era molto più complicato.
Stomata In-Sight mette insieme un microscopio molto potente, strumenti che misurano gli scambi di gas e un sistema di intelligenza artificiale. La foglia resta viva mentre i ricercatori controllano luce, temperatura, umidità e CO2 e osservano come gli stomi si aprono e si chiudono.
Nel corso della presentazione della ricerca, Andrew Leakey, professore di biologia vegetale dell’Università dell’Illinois e tra gli autori dello studio, ha dichiarato:
Tradizionalmente abbiamo dovuto scegliere tra vedere gli stomi o misurarne la funzione.
Il gruppo ha sperimentato il sistema sul mais (Zea mays), sottoponendo le foglie a diverse condizioni di luce e concentrazione di CO2. In questo modo ha potuto osservare come cambiava fisicamente l’apertura degli stomi mentre variavano fotosintesi e traspirazione.
Il machine learning segue decine di minuscole aperture
Guardare gli stomi è una cosa. Misurarli uno per uno per ore è un’altra. Per questo i ricercatori hanno addestrato un sistema di machine learning capace di riconoscere automaticamente pori e cellule stomatiche nelle immagini e calcolarne le dimensioni. Le misure automatiche dell’area dei pori hanno mostrato una forte corrispondenza con quelle effettuate manualmente dagli scienziati.
Il gruppo ha inoltre scoperto che, nelle condizioni sperimentali utilizzate, osservare circa 40 stomi permetteva già di ottenere una buona stima del comportamento medio della porzione di foglia analizzata.
Il passaggio interessante arriva subito dopo. Utilizzando dimensione, densità e profondità degli stomi osservati al microscopio, i ricercatori sono riusciti a stimare la conduttanza stomatica, cioè la facilità con cui gas e vapore acqueo attraversano la superficie fogliare, ottenendo valori vicini a quelli misurati direttamente dagli strumenti. Il comportamento di una manciata di pori microscopici comincia così a raccontare ciò che sta facendo l’intera foglia.
Perché può essere utile contro la siccità
Ogni apertura degli stomi comporta uno scambio: entra la CO2 necessaria alla fotosintesi, esce acqua. Capire meglio come diverse piante gestiscono questo equilibrio potrebbe aiutare i ricercatori a individuare caratteristiche utili per ottenere colture capaci di utilizzare l’acqua in modo più efficiente, un obiettivo sempre più importante in agricoltura mentre siccità e ondate di calore rendono meno affidabile la disponibilità idrica.
Gli stessi autori indicano tra le possibili applicazioni future lo studio dei caratteri genetici che regolano forma e comportamento degli stomi, per capire quali combinazioni consentano alle colture di mantenere una buona fotosintesi perdendo meno acqua.
Da qui a un mais che cresce felice senza irrigazione ce ne passa, naturalmente. Stomata In-Sight è uno strumento di ricerca, sperimentato finora in condizioni controllate, e dovrà essere utilizzato su altre varietà, specie e condizioni ambientali. Ma permette di guardare molto più da vicino uno dei meccanismi che decidono quanta acqua una pianta consuma per crescere.
Una piccola finestra sul rapporto tra piante e clima
Il comportamento degli stomi entra anche nei modelli che cercano di descrivere come la vegetazione risponde a temperature più alte, siccità e aumento della CO2 atmosferica. Finora molti di questi processi vengono rappresentati attraverso medie e parametri ricavati dagli scambi dell’intera foglia. Poter osservare direttamente come reagiscono i singoli pori offre ai ricercatori una quantità di informazioni molto più dettagliata da mettere alla prova nei modelli fisiologici e climatici.
L’Università dell’Illinois ha già depositato un brevetto sulla tecnologia. Il prossimo passo sarà usarla per confrontare piante con anatomie e strategie diverse e capire quali riescano a trovare il compromesso migliore tra carbonio e acqua. Perché una foglia, vista da lontano, continua a sembrare perfettamente immobile. Sotto il microscopio passa invece il tempo ad aprire e chiudere minuscole porte, facendo continuamente i conti con quello che entra e quello che rischia di perdere.
Articolo a firma: Ilaria Rosella Pagliaro
Fonte: greenme
