Le piante di peperoni sono state coltivate in una serra del Museo Nacional de Ciencias Naturales (CSIC) a Madrid per indagare su come il loro comportamento nel sottosuolo differisse quando piantate da sole rispetto a insieme a un vicino. Credito:Ciro Cabal, Università di Princeton
Potresti aver osservato le piante in competizione per la luce solare - il modo in cui si estendono verso l'alto e verso l'esterno per bloccarsi a vicenda l'accesso ai raggi del sole - ma fuori dalla vista, un altro tipo di competizione sta accadendo sottoterra. Allo stesso modo in cui potresti cambiare il modo in cui ti foraggi per spuntini gratuiti nella sala pausa quando i tuoi colleghi sono presenti, le piante cambiano il loro uso delle risorse sotterranee quando vengono piantate insieme ad altre piante.
In un articolo pubblicato oggi su Scienza , un team internazionale di ricercatori guidato dallo studente laureato di Princeton Ciro Cabal fa luce sulla vita sotterranea delle piante. La loro ricerca ha utilizzato una combinazione di modellazione e un esperimento in serra per scoprire se le piante investono in modo diverso nelle strutture delle radici quando piantate da sole rispetto a quando piantate insieme a un vicino.
"Questo studio è stato molto divertente perché ha combinato diversi tipi di caramelle mentali per conciliare risultati apparentemente contraddittori nella letteratura:un esperimento intelligente, un nuovo metodo per osservare gli apparati radicali in terreni intatti e una semplice teoria matematica", ha affermato Stephen Pacala, il professore di ecologia e biologia evolutiva (EEB) di Frederick D. Petrie e l'autore senior dell'articolo.
"Mentre le parti fuori terra delle piante sono state ampiamente studiate, inclusa la quantità di carbonio che possono immagazzinare, sappiamo molto meno su come le parti sotterranee, cioè le radici, immagazzinano carbonio", ha affermato Cabal, un dottorato di ricerca. studente nel laboratorio di Pacala. "Poiché circa un terzo della biomassa vegetale mondiale, quindi il carbonio, si trova nel sottosuolo, il nostro modello fornisce uno strumento prezioso per prevedere la proliferazione delle radici nei modelli globali del sistema terrestre".
In che modo le radici delle piante immagazzinano il carbonio? I ricercatori di Princeton hanno scoperto che l'energia che una pianta dedica alle sue radici dipende dalla vicinanza ad altre piante:quando sono vicine, le piante investono pesantemente nei loro sistemi di radici per competere per risorse sotterranee limitate; se distanti, investono meno. Poiché circa un terzo della biomassa vegetale (e del carbonio) del mondo si trova nel sottosuolo, questo modello fornisce uno strumento prezioso per prevedere la proliferazione delle radici nei modelli globali del sistema terrestre. Le piante di peperone sono state coltivate in una serra del Museo Nacional de Ciencias Naturales (CSIC) a Madrid per indagare su come il loro comportamento nel sottosuolo differisse quando piantate da sole o insieme a un vicino. Le radici delle piante di peperone vicine sono state colorate di diversi colori (per iniezione) per distinguere quali radici appartenevano a quale pianta. Credito:Ciro Cabal, Università di Princeton
Le piante producono due diversi tipi di radici:radici fini che assorbono acqua e sostanze nutritive dal terreno e radici di trasporto grossolane che riportano queste sostanze al centro della pianta. L'“investimento” delle piante nelle radici riguarda sia il volume totale delle radici prodotte sia il modo in cui queste radici sono distribuite nel terreno. Una pianta potrebbe concentrare tutte le sue radici direttamente sotto i suoi germogli, oppure potrebbe allargare le sue radici orizzontalmente per cercare cibo nel terreno adiacente, il che rischia di competere con le radici delle piante vicine.
Il modello del team prevedeva due potenziali risultati per l'investimento nelle radici quando le piante si ritrovano a condividere il suolo. Nel primo risultato, le piante vicine “cooperano” separando i loro apparati radicali per ridurre la sovrapposizione, il che porta a produrre meno radici complessive di quanto farebbero se fossero solitarie. Nel secondo risultato, quando una pianta percepisce risorse ridotte da un lato a causa della presenza di un vicino, accorcia il suo apparato radicale da quel lato ma investe di più nelle radici direttamente sotto il suo fusto.
La selezione naturale prevede questo secondo scenario, perché ogni pianta agisce per aumentare la propria forma fisica, indipendentemente dall'impatto di tali azioni sugli altri individui. Se le piante sono molto vicine tra loro, questo maggiore investimento nel volume delle radici, nonostante la segregazione di quelle radici, potrebbe provocare una tragedia dei beni comuni, per cui le risorse (in questo caso, l'umidità del suolo e le sostanze nutritive) sono esaurite.
Per testare le previsioni del modello, i ricercatori hanno coltivato piante di pepe in una serra sia individualmente che in coppia. Alla fine dell'esperimento, hanno tinto le radici delle piante di diversi colori in modo che potessero vedere facilmente quali radici appartenevano a quale pianta. Quindi, hanno calcolato la biomassa totale dell'apparato radicale di ciascuna pianta e il rapporto tra radici e germogli, per vedere se le piante hanno cambiato la quantità di energia e di carbonio che hanno depositato nelle strutture sotterranee e fuori terra quando sono state piantate accanto ai vicini e hanno contato il numero di semi prodotti da ogni pianta come misura della forma fisica relativa.
Il team ha scoperto che il risultato dipende da quanto sono vicine tra loro due piante. Se piantate molto vicine tra loro, sarà più probabile che le piante investiranno pesantemente nei loro sistemi di radici per cercare di superarsi a vicenda per risorse sotterranee limitate; se vengono piantati più distanti, probabilmente investiranno meno nei loro sistemi di radici di quanto farebbe una pianta solitaria.
In particolare, hanno scoperto che quando piantate vicino ad altre piante di peperone aumentavano gli investimenti nelle radici a livello locale e riducevano il punto in cui allungavano le loro radici orizzontalmente, per ridurre la sovrapposizione con i vicini. Non c'erano prove per uno scenario di "tragedia dei beni comuni", poiché non c'era differenza nella biomassa radicale totale o nel relativo investimento in radici rispetto alle strutture fuori terra (incluso il numero di semi prodotti per pianta) per piante solitarie rispetto a piante conviventi .
Le piante rimuovono l'anidride carbonica dall'atmosfera e la depositano nelle loro strutture, e un terzo di questo carbonio vegetativo viene immagazzinato nelle radici. Comprendere come cambia la deposizione di carbonio in diversi scenari potrebbe aiutarci a prevedere in modo più accurato l'assorbimento di carbonio, che a sua volta potrebbe aiutare a progettare strategie per mitigare il cambiamento climatico. Questa ricerca potrebbe anche aiutare a ottimizzare la produzione alimentare, perché per massimizzare la resa delle colture, è utile capire come utilizzare in modo ottimale le risorse sotterranee (e fuori terra).
Riferimento:"The exploitative segregation of plant roots" di Ciro Cabal, Ricardo Martínez-García, Aurora de Castro, Fernando Valladares e Stephen W. Pacala, 4 dicembre 2020, Scienza .
DOI:10.1126/science.aba9877
Gli altri coautori dell'articolo sono Ricardo Martínez-García, un ex borsista post-dottorato in EEB che ora è professore al South American Institute for Fundamental Research; Aurora de Castro, che ha lavorato al progetto nell'ambito di una tesi di laurea per il Dipartimento di Biogeografia e Cambiamento Globale del Museo Nazionale di Scienze Naturali spagnolo; e Fernando Valladares, professore associato presso il Dipartimento di Biologia, Geologia, Fisica e Chimica Inorganica dell'Università Rey Juan Carlos e ricercatore presso il Dipartimento di Biogeografia e Cambiamento Globale presso il Museo Nazionale di Scienze Naturali spagnolo.
"La segregazione sfruttatrice delle radici delle piante", di Ciro Cabal, Ricardo Martínez-García, Aurora de Castro, Fernando Valladares e Stephen W. Pacala, appare nel numero del 4 dicembre di Scienza (DOI:10.1126/science.aba9877). Questo lavoro è stato sostenuto dalla borsa di studio May dell'Università di Princeton presso il Dipartimento di Ecologia e Biologia Evolutiva; la Fondazione Gordon e Betty Moore (concessione GBMF2550.06); Instituto Serrapilheira (concessione Serra-1911-31200); la Fondazione per la ricerca di San Paolo (sovvenzione ICTP-SAIFR 2016/01343-7); il Programa Jovens Pesquisadores em Centros Emergentes (2019/24433-0); la Fondazione Simons; il Ministero spagnolo della Scienza, dell'Innovazione e dell'Università (sovvenzione COMEDIAS CGL2017-83170-R); e l'Iniziativa per la mitigazione del carbonio del Princeton Environmental Institute.
