Risposta delle colture in serra agli stress ambientali

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1 Workshop LA GESTIONE DELLA NUTRIZIONE MINERALE NELLE COLTURE DI SERRA 20 Settembre, Teatro Comunale di Comiso (Ragusa) Risposta delle colture in serra agli stress ambientali Stefania De Pascale Departimento di Agraria Università di Napoli Federico II

2 Contenuti Introduzione Stress e colture protette La gestione dello stress in serra Modificare l ambiente Serre chiuse Modificare la pianta Migliorare le prestazioni della pianta in condizioni di stress Migliorare le prestazioni della pianta con lo stress Il ruolo della ricerca Considerazioni conclusive

3 In biologia: Stress ambientali (abiotici) Una condizione avversa che tende a inibire il normale funzionamento di un sistema biologico In agricoltura: Una qualunque pressione ambientale in grado di ridurre la produttività potenziale di una coltura

4 La risposta delle piante a stress ambientali Suscettibilità Resistenza Morte Sopravvivenza Dipende da: Caratteristiche dello stress Caratteristiche della pianta Risposta metabolica Riduzione di crescita (resa)

5 Stress ambientali & produttività agricola Coltura Resa potenziale Resa media Perdita media (kg/ha) (kg/ha) Malattie Insetti Malerbe ALTRO* Mais 19,300 4, ,700 Grano 14,500 1, ,900 Soia 7,390 1, ,120 Sorgo 20,000 2, ,200 Segale 10,600 1, ,960 Orzo 11,400 2, ,590 Patata 94,100 28,300 8,000 5, ,900 Barbabietola 121,000 42,600 6,700 6,700 3,700 61,300 Perdita media (% resa potenziale) * STRESS ABIOTICI

6 Principali fattori ambientali di stress Temperatura Alte temperature (heat stress) Basse temperature (freezing, chilling) Acqua Eccesso idrico (ristagno, anossia) Deficit idrico (riduzione del potenziale idrico, siccità) Radiazione (visibile, ultravioletta) Nutrienti (carenza, eccesso) Salinità (acqua, substrato) Inquinanti chimici (pesticidi, metalli pesanti, inquinamento dell aria) Altri fattori di stress (ph, meccanici, vento, VPD, etc.) C

7 Le colture protette Obiettivi: Protezione contro stress abiotici e biotici Forzatura (produzione fuori stagione) Controllo crescita e sviluppo (& qualità)? Determinanti: Clima Mercato Aspetti socio-economici Risorse disponibili Aspetti normativi.

8 Arizona, USA Il Clima Maggiore determinante della distribuzione geografica delle specie vegetali Inpienaariadeterminailtassodicrescita e i cicli biologici (resa) In coltura protetta influenza la scelta del sistema produttivo, la quantità di input necessari e l efficienza d uso delle risorse naturali (sostenibilità) Almeria, Spagna 9 35 o C 9 27 MJ/m 2 /d Olanda 2 18 C 2 18 MJ/m 2 /d 5 38 o C MJ/m 2 /d Pechino, Cina o C 7 21 MJ/m 2 /d

9 Radiazione solare (MJ/m 2 *mese) Aalsmer (The Netherlands) Primavera-Estate Serra Parral Almeria (Southern, Spain) (Almeria Spagna) Primavera-Estate Serra Venlo (Olanda) Riscaldamento Autunno-Inverno A B Autunno-Inverno Temperatura media mensile( C) C D Raffrescamento E F A. Necessario il riscaldamento E. Necessario raffrescamento B. Necessaria ventilazione passiva F. Temperatura eccessiva C. Coltivazione possibile in piena aria (aree interne) D. Coltivazione possibile in piena aria (aree costiere)

10 Il Mediterraneo Le coltureprotettesonodiffuse nei principali Paesi del Bacino del Mediterraneo Almeria - Spagna Ragusa - Italia (Superfice di riferimento 1500 ha) Antalia - Turchia

11 Mediterraneo Portogallo Spagna Spagna

12 Mediterraneo Italia Libano Egitto Giordania

13 Le serre mediterranee Struttura povera Copertura in materiale plastico Ridotta trasmissività delle coperture Ridotta cubatura Ridottovolanotermicoeigrometrico Scarsa ventilazione Riscaldamento come intervento di soccorso Ombreggiamento estivo Risorse idriche quanti-qualitativamente ridotte Ridotta impiantistica

14 Lo scenario Superficie (ha) Ricavi Perché? Domanda di prodotti fuori-stagione Trasporto e conservazione Sviluppo socio-economico Efficienza d uso delle risorse Perchè? Globalizzazione/Competizione Riduzione dei prezzi al consumo Aumento dei costi di produzione Aspettative dei consumatori crescenti CRISI ECONOMICA!!!. I sistemi produttivi devono essere adattati:

15 Fattori determinanti: Fattori limitanti: Fattori riducenti: CO 2 Luce Temperatura Caratteristiche della coltura Fisiologia, Fenologia Morfologia, architettura Acqua Nutrienti Azoto Fosforo Potassio Malerbe Insetti Patologie Inquinanti = Controllo climatico Tecnica colturale Potenziale Disponibilità risorse sub-ottimale Attuale

16 Strategie di intervento Modificare l ambiente interno alla serra per la coltura Serre Chiuse Analisi Costi-benefici Modificare la coltura per uno specifico ambiente: Selezionare/generare specie/cultivar più funzionali Adattare la coltura all ambiente

17 La tecnologia in serra Strutture Sistemi per il controllo climatico Sistemi di Coltivazione Automazione Level of Technology Basso Medio Alto Stress ambientale Tecnologia Alto Medio Basso Isolamento dall ambiente esterno Specializzazione degli operatori Costi per m 2 Rese per m 2 Efficienza d uso delle risorse

18 Vantaggi: Modificare l ambiente: «Serre Chiuse» Riduzione del consumo di energia e delle emissioni di CO 2 (-30% combustibili fossili) Riduzione delle sostanze chimiche (-80%) Riduzione dei consumi idrici (-50%) Più elevata concentrazione di CO 2 (rese più elevate?) Svantaggi: Alti costi di investimento Difficoltà nella gestione della tecnologia (specializzazione) Il reddito dipende dall aumento di resa realizzabile (tipo di coltura/recettività del mercato) Problemi: Sostenibilità economica in ambienti caldo-aridi Adattamento tecnica colturale e selezione cultivar

19 Assenza di aperture di ventilazione Raffreddamento e deumidificazione Controllo delle condizioni ambientali Energy producing greenhouse Serre chiuse in cui il surplus di energia (calore) è immagazzinato in una falda acquifera (a m di profondità) e riutilizzato per il riscaldamento (Endothermic system) Più alta concentrazione di CO 2 Minori esigenze di combustibile Limiti: convenienza economica Caldo Freddo Olanda MJ m -2 per anno Italia MJ m -2 per anno Caldo Freddo

20 Water producing greenhouse Progetto per il Sud-Europa (Spagna): Serra completamente chiusa al fine di consentire il ricircolo d'acqua grazie a un innovativo scambiatore di calore Aumento dell efficienza d uso dell acqua (75% di acqua di recupero) e delle risorse energetiche Limiti: convenienza economica

21 Modificare la pianta: «Gestire lo stress» Migliorare le prestazioni della pianta in condizioni sub-ottimali: Risposta allo stress idrico/salino Scambi gassosi: o Ruolo degli Stomi nel Controllo degli Scambi Gassosi o Aggiustamento osmotico Assorbimento e trasporto idrico: o Rapporto Parte Aerea/Parte Radicale Migliorare le prestazioni delle piante con lo stress: Hardening pre-trapianto Qualità post-produzione: controllo della taglia di ornamentali, frutti

22 Cultivar di basilico con diversa risposta a stress osmotico 100 mm NaCl Napoletano Genovese

23 A 100 mm NaCl le due cv rispondono diversamente e mettono in opera meccanismi di risposta differenti Minore densità stomatica = Migliore controllo traspirazione = Maggiore WUE = Maggiore tolleranza a stress Genovese Napoletano

24 Dai sistemi modello alle colture agrarie PER ANNI SI E CERCATO DI INDIVIDUARE LA BASE GENETICA DELLA WATER USE EFFICIENCY NEL 2005 E STATO DESCRITTO IL RUOLO DEL GENE ERECTA NELLA REGOLAZIONE DELLA TRASPIRAZIONE IN ARABIDOPSIS Masle et al., NATURE, 436 (2005)

25 Il ruolo della ricerca Ricerca di base Ricerca applicata Prodotti commerciali Prodotti Intermedi

26 Screening Isolamento di mutati stomatici tramite Infrared Thermo Imaging 27±1 ºC 29ºC 30ºC 31ºC

27 Il rapporto chioma/radici Stress idrico

28 Carenza transitoria di fosforo per modulare il rapporto Chioma/Radice Transient Phosphorus Deficiency may Control Shoot vs. Root Development in tomato. Fresh Weight (g) P -P -P 0 Shoot Root (Maggio e De Pascale, 2009) Biddinger et al., (1998). Physiologically and molecular responses of aeroponically grown tomato plants to phosphorus deficiency. J. Am. Soc. Hort. Sci. 123(2): Gloser et al., Dynamic changes in root hydraulic properties in response to nitrate availability. Journal of Experimental Botany 58 (10):

29 Pro +Pro Pro +Pro Osmoliti 2,0 La Prolina riduce la 1,8 -Pro Resistenza Stomatica in 1,6 1,4 Raphanus sativus 1,2 1,0 0,8 0,6 +Pro 0,4 0,2 0, NaCl (mm) Riduce l accumulo di Na e Cl nelle foglie e promuove l accumulo negli ipocotili +Pro Resistenza stomatica (s/cm) +Pro mg g/dm Foglie mg g/dm Ipocotili Na Cl 0 Na Cl

30 Fattori che controllano lo stato idrico PARAMETRI CLIMATICI PARAMETRI? PIANTA

31 Modificare l ambiente Serra Calda Clima Secco Serra Fredda Clima Secco Traspirazione Radiazione Solare Serra Calda Clima Umido +

32 Controllo della pianta e dell ambiente Controllo climatico Traspirazione +PRO -PRO Stress osmotico Radiazione Solare

33 Controllo della taglia e hardening Modulazione dello stress: Idrico/salino Restrizione radicale (ridotta dimensione del contenitore) Nutrizionale (azoto, fosforo) Meccanico (stimolo tattile o tigmico): ventilazione, spazzolatura, scuotimento, sfregamento, impedenza. Università di Pisa - PRIN 2005

34 Hardening Risposta di piantine di diverse specie ortive alla spazzolatura in vivaio Risultati /Specie Efficacia nel ridurre l altezza Danno Commenti Peperone Foglie Dipende dal clima Pomodoro No Lievi danni in alcune cultivar Melanzana No Piante più compatte Cetriolo Lieve Zucchino No Ridotta lunghezza piccioli Anguria No Dipende dalle cultivars Cavolo No Dipende dalle cultivars Broccolo No Dipende dalle cultivars ( ): ottimo; ( ): molto buono; ( ): buono; ( ): sufficiente; ( ): variabile (Latimer, 1998)

35 Stress salino e qualità Pomodoro Melone Ortaggi da foglia Marciume apicale <Resa <Consistenza Carenza di calcio Sedano: Cuore nero Lettuce: Necrosi marginale >Solidi solubili totali >Durata > >Solidi solubili totali <Nitrati Reg. EU!

36 Per chiudere non per concludere La ricerca sull adattamento delle piante allo stress ambientale può contribuire a sviluppare e validare nuove strategie per migliorare la gestione delle colture protette in ambiente Mediterraneo. I motori del progresso: Ricerca di base Ricerca applicata Trasferimento tecnologico Formazione Il quadrimotore vola se tutti i motori sono accesi!