Come migliorare la capacità delle piante di utilizzare l’energia solare e fissare anidride carbonica.

Fino ad oggi le tecniche tradizionali hanno permesso di migliorare in modo significativo le rese delle principali colture di interesse agro-alimentare. Durante la rivoluzione verde, per esempio, gli studi di Norman Borlaug hanno permesso di raddoppiare le rese del frumento con la creazione di piante con steli brevi e robusti che potevano sopportare un maggior carico permettendo di ottenere rese di circa il 50% al 60% della biomassa in semi.
Oggi ulteriori miglioramenti di produzione si scontrano con il fatto che la crescita delle piante è limitata dalla efficienza della fotosintesi. Aumentare la capacità delle piante di utilizzare più efficientemente l’energia solare, come è facile immaginare, ha implicazioni anche in termini di compatibilità ambientale delle colture: più biomassa si produce per ettaro meno ettari sono richiesti. Proprio per questo sono in corso degli studi per cercare di migliorare il sistema fotosintetico. Ad esempio trasferendo un sistema fotosintetico molto efficiente come quello del mais al riso. Oppure migliorando l’efficienza dell’enzima che catalizza le fasi lente nella conversione di anidride carbonica in molecole organiche utili.
Su uno degli ultimi numeri di Science, Krishna Niyogi dell’Università di Berkley e Stephen Long dell’Università dell’Illinois descrivono un approccio completamente nuovo e molto promettente che cerca di razionalizzare un aspetto della fotosintesi chiamato fotoprotezione.
Penso che pochi abbiano mai pensato al fatto che anche le piante soffrono di problemi di “scottatura” dovuti ad una eccessiva esposizione alla luce solare. Per proteggersi dalla luce intensa le piante utilizzano un meccanismo chiamato non-photochemical quenching (smorzamento non fotochimico) o più semplicemente NPQ. Attraverso questo meccanismo i cloroplasti deviano i fotoni in eccesso che non riescono a processare con le molecole deputate a raccogliere la luce e semplicemente producono calore inutile. Ovviamente in condizioni di luce scarsa, le piante possono disattivare NPQ per aumentare l’efficienza fotosintetica. Il problema è che mentre l’ attivazione di questa specie di scudo è molto rapida, al contrario la sua in attivazione richiede ore, limitando la capacità fotosintetica in ombra. Questo non è un problema per le piante in natura, per le quali sono importanti solo la sopravvivenza e la riproduzione. Ma è uno svantaggio per gli agricoltori che vogliono massimizzare la produzione di biomassa. E’ stato calcolato che il fenomeno di NPQ in condizioni tipiche alle medie latitudini riduce la quantità di anidride carbonica trasformata in zuccheri fino al 30%.
L’idea perseguita dai ricercatori è quella di ridurre l’intervallo di tempo richiesto per inattivare NPQ migliorando in questo modo la resa di biomassa. La strategia utilizzata è stata quella di aggiungere copie extra di tre geni che codificano proteine che rimuovono NPQ con l’idea che questo avrebbe dovuto accelerare l’attivazione della fotosintesi in ombra. I ricercatori hanno prelevato i geni da Arabidopsis thaliana, una specie vegetale ampiamente utilizzata in laboratorio come organismo modello, e li hanno inseriti in piante di tabacco, che sono relativamente facili da modificare. Dopo aver condotto dei test preliminari in laboratorio e poi in serra, le piante di tabacco sono state piantate in un campo di prova. Il risultato è stato stupefacente con un aumento di produzione compresa tra il 14% e il 20%. Per ora non si sa se questa maggiore produzione si accompagni a qualche effetto indesiderato come una maggiore sensibilità alle malattie o una differente capacità di tollerare stress ambientali come il freddo. Inoltre non è chiaro se questa strategia possa venir applicata a specie vegetali con un valore alimentare come riso e mais. Ed è ipotizzabile che esistano metodi ancora più efficienti per spegnere NPQ e forse per generare ancora più biomassa.
Indipendentemente da come si riesca a raggiungere il risultato è ovvio che migliorare la produzione di biomassa può rappresentare un grande passo avanti in agricoltura.