WP2-Efficienza d uso dei nutrienti minerali (e riduzione degli apporti di fertilizzanti al suolo)

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1 WP2-Efficienza d uso dei nutrienti minerali (e riduzione degli apporti di fertilizzanti al suolo) Fabio Francesco Nocito, DiProVe - UNIMI Lodi, 8 giugno 2011

2 Elementi essenziali per le piante Macronutrienti: N, P, K, Ca, Mg, S Micronutrienti: Cl, B, Fe, Mn, Cu, Zn, Ni, Mo Carenze in ciascuno di questi elementi si traducono in riduzioni della crescita e della produttività delle colture

3 Alcune considerazioni 1) Negli ecosistemi naturali le piante utilizzano le dotazioni di nutrienti naturalmente presenti nel suolo 2) Negli agroecosistemi i nutrienti asportati con i raccolti devono necessariamente essere reintegrati nei suoli attraverso le pratiche di fertilizzazione 3) Le moderne piante coltivate presentano una elevata produttività e necessitano di notevoli quantità di nutrienti

4 Consumo di fertilizzanti azotati Consumo attuale: milioni di tonnellate di azoto vengono immesse annualmente nei suoli agrari 1930: 1,3 milioni di tonnellate 1960: 10,2 milioni di tonnellate Nel 2050 si stima un consumo pari a 240 milioni di tonnellate Frink C. et al. (1999) PNAS 96: Tilman D. et al. (1999) PNAS 96: Good A.G. et al. (2004) Trends in Plant Science 9:

5 L elevato consumo di fertilizzanti è dovuto a: 1) richieste nutrizionali delle piante; 2) inefficienze nella gestione delle fertilizzazioni; 3) inefficienze nell assorbimento radicale di nutrienti (riduzione dell adattabilità delle piante a condizioni di bassa disponibilità di nutrienti).

6 Le pratiche di fertilizzazione a sostegno delle necessità nutrizionali delle colture rappresentano uno dei principali fattori: a) che incidono sul costo di produzione; b) di impatto delle attività agricole sull ambiente (recupero apparente: N< 35%; P = 10-30%).

7 Efficienza d uso dei nutrienti minerali Parametro di notevole interesse agronomico che dipende da diversi aspetti: 1) capacità delle colture di assorbire i nutrienti apportati al suolo attraverso le pratiche di fertilizzazione; 2) capacità delle piante di tradurre l assorbimento di nutrienti in incrementi di produzione. L efficienza d uso dei nutrienti è controllata simultaneamente da numerosi geni e dalla loro interazione con l ambiente di crescita

8 Interazioni fra i WP

9 WP2 Attività 1. Efficienza d uso dell azoto in mais, frumento tenero e riso Attività 2. Monitoraggio delle popolazioni microbiche coinvolte nel ciclo dell azoto Attività 3. Efficienza d uso dello zolfo in riso e frumento Attività 4. Approcci alla riduzione degli input di fosforo nei suoli Attività 5. Sviluppo e selezione di colture batteriche con attività biofertilizzante

10 Efficienza d uso dell azoto Monitoraggio delle popolazioni microbiche coinvolte nel ciclo dell azoto (UNIMI- Microbiologia Ambientale)

11 Efficienza d uso dell azoto Monitoraggio delle popolazioni microbiche coinvolte nel ciclo dell azoto (UNIMI- Microbiologia Ambientale) 1 (1) Tessuto radicale (2) Rizosfera 3 2 (3) Suolo di controllo Estrazione del DNA

12 Efficienza d uso dell azoto Monitoraggio delle popolazioni microbiche coinvolte nel ciclo dell azoto (UNIMI- Microbiologia Ambientale) Tecniche di ecologia molecolare microbica Analisi ARISA (Automated Ribosomal Interspacer Sequence Analysis) Analisi DGGE (Denaturating Gel Gradient Electrophoresis) Analisi della complessità del microbioma Analisi della struttura del microbioma implicato nel ciclo dell azoto

13 Efficienza d uso dell azoto Mais (CRA-MAC) 1) Individuazione dei principali determinanti genici del carattere efficienza d uso dell azoto in mais 2) Individuare marcatori molecolari (SNP e/o QTL) applicabili in programmi di selezione assistita di genotipi di mais ad elevata efficienza d uso dell azoto

14 Efficienza d uso dell azoto Frumento (CRA-SVC) Esplorazione della variabilità esistente in frumento per il carattere efficienza d uso dell azoto 1) Valutazione dell efficienza d uso dell azoto in diverse accessioni appartenenti al genere Triticum (T. aestivum, T. monococcum, T. dicoccum, T. spelta, T. durum). 2) Ricerca di relazioni fra l efficienza d uso dell azoto e l attitudine panificatoria delle farine.

15 Efficienza d uso dell azoto Riso (Ente Nazionale Risi) Valutazione dell efficienza d uso dell azoto in piante sottoposte a due diverse tecniche di regimazione dell acqua: semina in acqua e sommersione continua vs semina interrata e irrigazione turnata Le prove verranno condotta su quattro varietà rappresentative dei principali gruppi commerciali

16 Efficienza d uso dell azoto Riso (UNIMI-DiProVe) Esplorazione della variabilità esistente in riso per il carattere efficienza d uso dell azoto in condizioni di diversa disponibilità di ossigeno nei suoli. 1) Valutazione dell efficienza d uso dell azoto nel germoplasma analizzato (principali varietà di riso adottate in Italia) 2) Caratterizzazione molecolare delle varietà di maggiore interesse al fine di sviluppare marcatori utili alla selezione di varietà ad alta efficienza d uso dell azoto in diversi ambiti di coltivazione.

17 Approcci alla riduzione degli input di fosforo nei suoli Il fosforo Negli agroecosistemi due principali fattori influenzano il ciclo del fosforo: 1) l assorbimento di fosfato da parte delle colture; 2) la reintroduzione del fosforo nei suoli attraverso l impiego di reflui zootecnici o di concimi chimici.

18 Approcci alla riduzione degli input di fosforo nei suoli Acido fitico (o fitina) Forma principale di riserva di fosforo (circa 75%) presente nelle cariossidi dei cereali e nei semi delle oleaginose.

19 Approcci alla riduzione degli input di fosforo nei suoli I monogastrici non possiedono fitasi 1) Il 90% del fosforo presente nella fitina viene escreto in forma non digerita e rappresenta un potenziale inquinante (incrementa il carico di fosforo che ritorna al suolo attraverso i reflui zootecnici) 2) L acido fitico ha un azione antinutrizionale (chelante di micronutrienti)

20 Approcci alla riduzione degli input di fosforo nei suoli Produzione di linee lpa (low phitic acid) in mais (UNIMI-DiProVe) La granella ottenuta dalle linee lpa di mais presenta un ridotto contenuto in acido fitico ed un più alto contenuto in fosfato inorganico assimilabile. 1) Costituzione e produzione di mais lpa (lpa1). 2) Costituzione di mangimi a base di mais e studio in vivo (galline ovaiole) della ripartizione dei fosfati (assimilati ed escreti). 3) Isolamento e studio di altre mutazioni lpa in mais potenzialmente utili dal punto di vista del breeding.

21 Approcci alla riduzione degli input di fosforo nei suoli Studio della variabilità allelica per il gene PHY1 in erba medica (CRA-FLC) In Medicago troncatula il gene MtPHY1 codifica per una fitasi extracellulare in grado di idrolizzare il fosforo fitinico e di renderlo prontamente disponibile all assorbimento da parte della pianta. 1) Caratterizzazione funzionale di mutanti di M. trocatula per il gene MtPHY1 2) Ricerca e caratterizzazione di geni ortologhi in M. sativa 3) Caratterizzazione della variabilità allelica al locus PHY1 in M. sativa (Eco TILLING)

22 Efficienza d uso dello zolfo Lo zolfo L efficienza d uso dello zolfo è un carattere agronomico che assunto una notevole importanza nelle ultime decadi in seguito alla: 1) riduzione delle immissioni di SO 2 in atmosfera (minor impiego di combustibili fossili ad alto tenore in zolfo); 2) contrazione dell uso di fertilizzanti fosfatici ad alto titolo in zolfo. Carenze di zolfo si ripercuotono negativamente: sulla produttività delle colture sull efficienza d uso dell azoto sulla capacità di adattamento a condizioni avverse

23 Riso (UNIMI-DiProVe) Analisi della variabilità esistente nelle principali varietà di riso coltivate in Italia per il carattere efficienza d uso dello zolfo. 1) Studio della capacità di assorbire ed utilizzare il solfato lungo le vie di assimilazione. 2) Caratterizzazione molecolare delle varietà di maggiore interesse. 3) Ricerca di relazioni fra efficienza d uso dello zolfo e tolleranza a diversi tipi di stress (biotico ed abiotico). Frumento (CRA-SVC; UNIMI-DiProVe) Analisi delle relazioni esistenti fra efficienza d uso dell azoto e dello zolfo Efficienza d uso dello zolfo

24 Sviluppo e selezione di colture batteriche con attività biofertilizzante UNIMI-Microbiologia Ambientale Isolamento su piastra Dereplicazione attraverso analisi degli spaziatori ribosomali Estrazione del DNA Identificazione filogenetica Test per attività di promozione della crescita vegetale in vitro

25 Test in vitro per attività di promozione della crescita vegetale (PGP) Sintesi di siderofori Produzione di ammoniaca CN CN Solubilizzazione del fosfato inorganico Sintesi di auxine (IAA) CN CN Fissazione dell azoto CN

26 Grazie per l attenzione

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