I ricercatori del MIT hanno escogitato un modo per proteggere i semi dallo stress della scarsità d'acqua durante la loro cruciale fase di germinazione e persino fornire alle piante un nutrimento extra.
Credit:Felice Frankel
Un nuovo processo di rivestimento dei semi potrebbe facilitare l'agricoltura su terreni aridi marginali consentendo ai semi di trattenere l'acqua disponibile.
Mentre il mondo continua a riscaldarsi, molte regioni aride che hanno già condizioni marginali per l'agricoltura saranno sempre più sotto stress, portando potenzialmente a una grave carenza di cibo. Ora, i ricercatori del MIT hanno escogitato un processo promettente per proteggere i semi dallo stress della scarsità d'acqua durante la loro fase cruciale di germinazione e allo stesso tempo fornire alle piante nutrimento extra.
Il processo, sottoposto a continui test in collaborazione con ricercatori in Marocco, è semplice ed economico e potrebbe essere ampiamente implementato nelle regioni aride, affermano i ricercatori. I risultati sono riportati sulla rivista Nature Food , in un articolo del professore del MIT di ingegneria civile e ambientale Benedetto Marelli, del dottorando del MIT Augustine Zvinavashe '16 e di altri otto al MIT e al King Mohammed VI Polytechnic University in Marocco.
Il rivestimento a due strati sviluppato dal team è una diretta conseguenza di anni di ricerca di Marelli e dei suoi collaboratori nello sviluppo di rivestimenti per semi per conferire vari vantaggi. Una versione precedente consentiva ai semi di resistere all'elevata salinità del terreno, ma la nuova versione è mirata ad affrontare la carenza d'acqua.
"Volevamo realizzare un rivestimento specifico per combattere la siccità", spiega Marelli. "Poiché ci sono prove evidenti che il cambiamento climatico avrà un impatto sul bacino dell'area mediterranea", afferma, "dobbiamo sviluppare nuove tecnologie che possano aiutare a mitigare questi cambiamenti nei modelli climatici che renderanno meno disponibile l'acqua all'agricoltura."
Il nuovo rivestimento, ispirato ai rivestimenti naturali che si trovano su alcuni semi come chia e basilico, è progettato per proteggere i semi dall'essiccamento. Fornisce un rivestimento gelatinoso che trattiene tenacemente l'umidità che arriva e avvolge il seme con esso.
Un secondo strato interno del rivestimento contiene microrganismi conservati chiamati rizobatteri e alcuni nutrienti per aiutarli a crescere. Se esposti al suolo e all'acqua, i microbi fissano l'azoto nel terreno, fornendo alla piantina in crescita un fertilizzante nutriente per aiutarla.
"La nostra idea era di fornire molteplici funzioni al rivestimento del seme", afferma Marelli, "non solo mirando a questa giacca d'acqua, ma anche ai rizobatteri. Questo è il vero valore aggiunto del nostro rivestimento per semi, perché si tratta di microrganismi autoreplicanti in grado di fissare l'azoto per le piante, in modo da ridurre la quantità di fertilizzanti a base di azoto forniti e arricchire il terreno. "
I primi test utilizzando il terreno di allevamenti di prova marocchine hanno mostrato risultati incoraggianti, affermano i ricercatori, e ora sono in corso test sul campo dei semi.
In definitiva, se i rivestimenti dimostrano il loro valore attraverso ulteriori test, i rivestimenti sono abbastanza semplici da poter essere applicati a livello locale, anche in località remote nei paesi in via di sviluppo. "Può essere fatto localmente", afferma Zvinavashe. “Questa è una delle cose a cui stavamo pensando mentre lo progettavamo. Il primo strato su cui puoi immergere il rivestimento, e poi il secondo strato, puoi spruzzarlo. Questi sono processi molto semplici che gli agricoltori potrebbero fare da soli”. In generale, tuttavia, Zvinavashe afferma che sarebbe più economico eseguire i rivestimenti a livello centrale, in strutture che possono preservare e stabilizzare più facilmente i batteri che fissano l'azoto.
I materiali necessari per i rivestimenti sono prontamente disponibili e spesso già utilizzati nell'industria alimentare, afferma Marelli. I materiali sono anche completamente biodegradabili e alcuni dei composti stessi possono effettivamente essere derivati dai rifiuti alimentari, consentendo l'eventuale possibilità di sistemi a circuito chiuso che riciclano continuamente i propri rifiuti.
Sebbene il processo aggiunga una piccola quantità al costo dei semi stessi, afferma Marelli, può anche produrre risparmi riducendo la necessità di acqua e fertilizzanti. Il saldo netto di costi e benefici resta da determinare attraverso ulteriori ricerche.
Sebbene i test iniziali sui fagioli comuni abbiano mostrato risultati promettenti da una varietà di misure, tra cui massa radicale, altezza dello stelo, contenuto di clorofilla e altri parametri, il team non ha ancora coltivato un raccolto completo da semi con il nuovo rivestimento fino a raccolto, che sarà la prova definitiva del suo valore. Supponendo che migliori i raccolti in condizioni aride, il prossimo passo sarà estendere la ricerca a una varietà di altri importanti semi di colture, affermano i ricercatori.
"Il sistema è così semplice che può essere applicato a qualsiasi seme", afferma Marelli. "E possiamo progettare il rivestimento del seme per rispondere a diversi modelli climatici". Potrebbe anche essere possibile adattare i rivestimenti alle precipitazioni previste di una particolare stagione di crescita, afferma.
"Questo è un lavoro molto importante", afferma Jason C. White, direttore della Connecticut Agricultural Experiment Station e professore di epidemiologia alla Yale University, che non è stato associato a questo studio. “Il mantenimento della sicurezza alimentare globale nei prossimi decenni sarà tra le sfide più significative che affronteremo come specie. … Questo approccio si adatta alla descrizione di uno strumento importante in tale sforzo; sostenibile, reattivo ed efficace."
White afferma:"Le tecnologie di rivestimento dei semi non sono nuove, ma quasi tutti gli approcci esistenti mancano di versatilità o reattività". Il nuovo lavoro, afferma, è "sia nuovo che innovativo" e "apre davvero una nuova strada di lavoro per rivestimenti di semi reattivi per mediare la tolleranza a una serie di fattori di stress biotici e abiotici".
Riferimento:"Il design programmabile della funzione di rivestimento del seme induce tolleranza allo stress idrico nelle regioni semi-aride" di Augustine T. Zvinavashe, Julie Laurent, Manal Mhada, Hui Sun, Henri Manu Effa Fouda, Doyoon Kim, Salma Mouhib, Lamfeddal Kouisni e Benedetto Marelli, 8 luglio 2021, Nature Food .
DOI:10.1038/s43016-021-00315-8
Il team comprendeva Julie Laurent, Salma Mouhib, Hui Sun, Henri Manu Effa Fouda, Doyoon Kim, Manal Mhada e Lamfeddal Kouisni, al MIT e alla King Mohammad VI Polytechnic University di Ben-Guerir, in Marocco. Il lavoro è stato in parte sostenuto da OCP SA, dall'Université Mohammed VI Polytechnique–MIT Research Program, dall'Office of Naval Research degli Stati Uniti, dalla National Science Foundation e dal MIT Paul M. Cook Career Development Professorship.
