Dal laboratorio al campo, l'agricoltura cerca di adattarsi a un mondo in riscaldamento

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Potrebbe arrivare in una panetteria vicino a te: pane fatto con il grano che ha avuto il suo meccanismo fotosintetico rimodellato per aiutarlo a prosperare su un pianeta più caldo.

Nonostante il fatto che un certo numero di ricercatori – alcuni finanziati dalla Bill and Melinda Gates Foundation – si stiano affrettando per creare questa nuova razza di grano, non arriverà presto. L'aumento delle temperature sta già mettendo a dura prova i campi di grano del mondo. Ma un nuovo grano resistente al calore che sostituirà i tipi attualmente coltivati ​​avrà una decina di anni o più nel futuro.

"Il più grande cambiamento globale che minaccia la sicurezza alimentare è l'alta temperatura", ha affermato Donald Ort, professore di biologia vegetale e scienze delle colture presso l'Università dell'Illinois che sta lavorando a un progetto chiamato RIPE – Realizing Aumentata efficienza fotosintetica – per migliorare la fotosintesi in colture alimentari, che aiuterebbero anche a combattere il caldo.

Il problema si vede in tutto il mondo. Nel 2010 e nel 2012, ad esempio, i coltivatori di grano russi hanno visto i loro raccolti diminuire drasticamente a causa di una combinazione di clima caldo e siccità.

"Ha causato una riduzione del 30 per cento della produzione nazionale, che è davvero enorme", ha detto Senthold Asseng, ricercatore presso l'Università della Florida. I russi hanno compensato il deficit riducendo le esportazioni, ha osservato, ma "Se perdi un terzo della tua produzione in India o in Bangladesh, potrebbe essere un enorme disastro".

Uno studio ha dimostrato che ogni aumento di grado della temperatura provocherebbe un calo della produzione delle principali colture alimentari del mondo.

C'è uno sforzo globale concertato per aiutare l'agricoltura ad adattarsi alla nuova realtà climatica mentre il riscaldamento continua a ritmo sostenuto. Le iniziative di adattamento più urgenti, dicono gli esperti, coinvolgono le principali colture alimentari del mondo – in particolare grano, riso, mais e soia, che insieme forniscono due terzi dell'apporto calorico umano. In uno studio pubblicato lo scorso anno, l'Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) ha avvertito che senza cambiamenti fondamentali nell'agricoltura, il mondo rischia di aumentare l'insicurezza alimentare.

Non si tratta solo di cibo. La scarsità di cibo è un importante motore dei problemi sociali. Ad esempio, una siccità dal 2007 al 2010 è considerata uno dei principali fattori che hanno portato alla guerra civile in Siria.

Uno studio del 2017 di un gruppo di ricercatori che includeva Asseng ha utilizzato modelli per prevedere i cambiamenti di queste colture principali a temperature più calde. Lo studio ha mostrato che ogni aumento di grado centigrado della temperatura provocherebbe un calo della produzione di tutte le colture, guidato da un calo della resa in mais di oltre il 7%, grano del 6% e un calo dei semi di soia del 3% e riso 3,2 per cento. "Ciò significa che nei prossimi 30 o 40 anni, se la temperatura globale sale di 3 gradi Celsius, stiamo parlando di una perdita del 15-20% della resa del grano solo a causa della temperatura", ha detto Asseng.

Il cambiamento climatico non porta solo temperature più elevate. Un'intera serie di problemi e benefici derivano dal clima più caldo, da troppe a troppo poche precipitazioni (c'è il 7% in più di umidità nell'atmosfera per ogni 1 grado C di riscaldamento); cambiamenti nei tempi di precipitazioni, inondazioni ed erosione; bruschi sbalzi di temperatura; cambiamenti nella salute del suolo; e più incendi, che possono influenzare la semina, la maturazione e la raccolta. Temperature più calde possono anche significare più parassiti, più malattie e più erbacce. E insieme alla perdita di rendimento, alcuni studi mostrano che importanti colture alimentari, come riso e grano, hanno livelli ridotti di proteine, ferro e zinco man mano che crescono in un ambiente più ricco di carbonio.

Le piante di mais germogliano dal terreno screpolato in una struttura di ricerca dell'Università dell'Illinois.
Claire Benjamin / Progetto RIPE

Tutto questo avviene nello stesso momento in cui la domanda di cibo è in aumento e potrebbe aumentare del 100% entro il 2050 mentre la popolazione mondiale salirà da 7,6 miliardi a quasi 10 miliardi. E mentre il mondo passa dai combustibili fossili ai materiali di origine vegetale, come i biocarburanti o le bioplastiche, gli esperti dicono che richiederà un aumento del 30% della produzione agricola. Tutto questo aumento dovrà essere fatto su terreni agricoli già esistenti in modo che la foresta pluviale amazzonica o altre importanti aree naturali non debbano essere distrutte.

Il grano, il più grande raccolto alimentare del pianeta, che fornisce il 20% delle calorie globali, sta ricevendo molta attenzione dai ricercatori. Uno degli approcci principali per aumentare la resa e creare un grano tollerante al calore è l'ottimizzazione della fotosintesi. "Le colture agricole ora convertono una percentuale sorprendentemente bassa di luce solare in biomassa vegetale, dallo 0,5 all'1% circa", ha affermato Martin Parry, uno dei principali ricercatori della Lancaster University in Inghilterra. "Raddoppiare la percentuale all'1-2% è tutto ciò di cui abbiamo bisogno, e questo è già stato scientificamente dimostrato possibile".

I ricercatori lo stanno facendo concentrandosi su qualcosa chiamato Rubisco, un acronimo per ribulosio-1,5-bisfosfato carbossilasi / ossigenasi. È un antico enzima, vecchio di oltre 3,5 miliardi di anni, che si è evoluto con le piante. Prende anidride carbonica inorganica e la trasforma in carbonio organico.

Ma il 20% delle volte Rubisco prende ossigeno invece di CO2, il che porta a un processo chiamato fotorespirazione, che è energeticamente costoso per la pianta e porta a una minore fotosintesi e rese minori.

La varietà di riso che era parte integrante della Rivoluzione Verde è stata gradualmente eliminata a favore delle cultivar autoctone.

Ort chiama Rubisco l'enzima più importante del pianeta perché è responsabile della conversione della luce solare in tessuto vegetale, che nutre il mondo. Tuttavia, Ort dice: "Non è un ottimo enzima. È lento. E fa degli errori. È l'enzima più abbondante del pianeta e il motivo è che il modo in cui le piante affrontano il fatto che non è un enzima molto buono è quello di farne molto ".

Ciò su cui si stanno concentrando il programma RIPE dell'Università dell'Illinois, la Lancaster University e altri laboratori è hackerare le piante per aumentare l'efficienza di Rubisco. "Ci sono modi più semplici per farlo", dice Ort. "Queste sono riprogettazioni complete per cercare di aggirare i percorsi nativi e sostituirli con un percorso più semplice ed efficiente" che non influisca sulla fotosintesi.

Anche concentrandosi sulla riprogettazione della fotosintesi, gli esperti dicono che una nuova cultivar di grano è lontana almeno 10 o 12 anni.

Almeno un tipo di grano che prospera ad alte temperature è stato coltivato con successo. I ricercatori dell'Università svedese di scienze agrarie e del Centro internazionale per la ricerca agricola nelle aree aride hanno creato un raccolto di grano da ceppi antichi e moderni che possono crescere a temperature superiori a 100 gradi. Viene coltivato nel bacino del fiume Senegal in Africa occidentale.

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Anche il riso, la soia e altre colture trarrebbero vantaggio da un nuovo processo fotosintetico ridisegnato. Il riso, che è una fonte di cibo per 3,5 miliardi di persone nel mondo, è particolarmente vulnerabile. Non solo la sua resa è danneggiata dalle temperature più elevate, ma ha anche bisogno di una fornitura affidabile di acqua – utilizza dal 34 al 43 percento delle risorse idriche mondiali per l'irrigazione – e gli effetti delle alte temperature sono aggravati da modelli meteorologici irregolari e dal declino falde acquifere. Anche l'intrusione di acqua salata durante l'innalzamento degli oceani è un problema serio.

I ricercatori esaminano una varietà di grano duro resistente al calore piantata nel bacino del fiume Senegal.
Filippo Bassi / ICARDA

Un recente studio sulla rivista Nature ha scoperto che un clima caldo sta aumentando il livello di arsenico nel riso, che entro il 2100 potrebbe ridurre i raccolti di quasi il 40%.

Ci sono sforzi su diversi fronti per preparare il riso all'emergenza climatica, compreso lo sviluppo di tipi resistenti alla siccità, alle malattie e all'acqua salata. La varietà di riso IR8, ad esempio, che era parte integrante della Rivoluzione Verde negli anni '60, viene gradualmente eliminata a favore di cultivar autoctone che sono più facili sul terreno e più resistenti alle malattie.

E un team di ricercatori statunitensi sta modificando il genoma del riso nei test per aggiungere resistenza alle malattie o modificare i geni che rendono la pianta sensibile. Cercano una pianta che possa avere una scarsa resa ma abbia una buona resistenza alle malattie, quindi rimuovono i geni resistenti e li inseriscono in una varietà commerciale ad alto rendimento "L'editing del genoma ci consente di farlo con velocità e precisione", Adam Bogdanove, un professore di patologia vegetale alla Cornell University, ha detto.

I ricercatori in Arkansas, dove viene coltivata gran parte del raccolto di riso degli Stati Uniti, hanno scoperto che negli ultimi quattro decenni le temperature notturne sono aumentate di 5 gradi Fahrenheit, il che significa che le piante perdono più acqua durante la notte. L'aumento del calore riduce anche la fotosintesi e ostacola la capacità del riso di autoimpollinarsi. Alcuni agricoltori stanno parlando di spostarsi più a nord per rimanere all'interno della gamma di temperature del raccolto.

I polli Naked Neck, originari della Romania, sono naturalmente climatizzati a causa della mancanza di piume.

Esistono altri approcci per rendere l'agricoltura più tollerante di fronte alle temperature calde, come cambiare i tempi dei raccolti o impiegare metodi agricoli che possono aiutare i raccolti a rimanere più freschi. Un recente studio su Nature, ad esempio, ha scoperto che le fattorie nelle regioni tropicali che si diversificano con una miscela di colture intrecciate e un confine di foresta nativa, invece di una monocoltura, aiutano a mantenere il paesaggio agricolo più fresco fornendo allo stesso tempo più habitat che promuove la biodiversità, soprattutto uccelli.

Oltre alle colture, anche il bestiame e altri animali allevati per il cibo sono colpiti dal cambiamento climatico. I polli, ad esempio, sono particolarmente sensibili al calore.

Una delle soluzioni più intriganti è il pollo Naked Neck. È un uccello dall'aspetto strano che sembra che le sue piume siano state strappate dalla parte inferiore del collo fino alla testa. Ciò che manca in bellezza, però, lo compensa in funzione in un clima che cambia.

Questi polli, originari della Romania, non solo sono naturalmente climatizzati a causa della mancanza di piume, hanno polmoni più grandi di altri uccelli e altri importanti tratti fisiologici che consentono loro di adattarsi alle temperature più calde. "È anche più leggibile", ha detto Matthew Wadiak, fondatore di Cooks Venture, che alleva e vende questi uccelli in Arkansas. "Se hai un uccello con le gambe lunghe che è in posizione verticale e sollevato da terra, ha più flusso d'aria intorno e può rimanere più fresco."

Bovini Criollo, una razza che può vivere in regioni aride, in un sito di ricerca federale nel New Mexico.
NMSU / USDA

Gli allevatori e gli scienziati sono anche alla ricerca di mucche in grado di prosperare a temperature più calde. Una razza di animale che può aiutare gli allevatori nel sud-ovest degli Stati Uniti e in altre regioni aride ad adattarsi è la mucca raramuri criollo – che significa "i piedi leggeri" – in sostituzione di Angus e Hereford, che hanno un impatto maggiore sui paesaggi.

La siccità ha afflitto il sud-ovest negli ultimi anni e alcuni ricercatori affermano che potrebbe essere un appuntamento fisso nella regione. Ha preso un pesante tributo all'allevamento. I criollo furono portati in Nord America dalla Spagna dai conquistadores e liberati, prima di essere adottati, tra gli altri, dagli indiani Tarahumara. Negli ultimi quattro secoli questi bovini si sono adattati alle condizioni aride del Messico.

Due decenni fa, sono stati portati dallo stato messicano di Chihuahua alla stazione sperimentale di Jornada vicino a Las Cruces, nel New Mexico. Da allora sono stati adottati da allevatori che hanno visto benefici e The Nature Conservancy sta studiando il loro impatto sulla terra presso il suo Canyonlands Research Center nello Utah.

"Questi bovini possono sopportare il caldo e la mancanza d'acqua", ha detto Nichole Barger, un ecologista delle terre aride presso l'Università del Colorado Boulder che si consulta presso il Canyonlands Research Center. "Stanno selezionando una gamma più ampia di diversi tipi di piante, non solo quelle erbe che sono in declino a causa del cambiamento climatico".

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La soluzione più importante per la sicurezza alimentare a lungo termine, ovviamente, è ridurre le emissioni di gas serra. Non c'è "alcuna possibilità per nessuno di dire:" Oh, il cambiamento climatico sta accadendo, e ci adatteremo ", ha detto Hans Otto Portner, co-presidente del gruppo di lavoro IPCC su cibo e uso del suolo. "La capacità di adattamento è limitata."