Polline e calore: una sfida incombente per l’agricoltura globale

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Lo scorso giugno, Aaron Flansburg ha sentito il picco di temperatura e sapeva cosa significava per il suo raccolto di colza. Un coltivatore di quinta generazione nello stato di Washington, Flansburg cronometra la sua piantagione di canola per fiorire nelle fresche settimane di inizio estate. Ma l’anno scorso, i suoi campi sono stati colpiti da un calore di 108 gradi Fahrenheit proprio mentre i fiori si aprivano. “È praticamente inaudito per la nostra zona avere una temperatura del genere a giugno”, afferma.

I fiori gialli erano soffocati, la riproduzione si era interrotta e molti semi che sarebbero stati spremuti per l’olio di canola non si sono mai formati. Flansburg ha prodotto da 600 a 800 libbre per acro. L’anno precedente, in condizioni climatiche ideali, aveva raggiunto quota 2.700.

Molti fattori hanno probabilmente contribuito a questo scarso raccolto: il caldo e la siccità sono persistiti per tutta la stagione di crescita. Ma un punto sta diventando allarmante per gli scienziati: il calore è un killer di pollini. Anche con acqua adeguata, il calore può danneggiare il polline e impedire la fertilizzazione nella colza e in molte altre colture, tra cui mais, arachidi e riso.

Per questo motivo, molti coltivatori puntano a far fiorire le colture prima che la temperatura aumenti. Ma poiché il cambiamento climatico aumenta il numero di giorni oltre i 90 gradi nelle regioni di tutto il mondo e i periodi di caldo estremo di più giorni diventano più comuni, ottenere quel tempismo giusto potrebbe diventare difficile, se non impossibile.

A circa 90 gradi, le proteine ​​che alimentano il metabolismo di un granello di polline iniziano a decomporsi.

Di fronte a un futuro più caldo, i ricercatori stanno cercando modi per aiutare il polline a combattere il caldo. Stanno scoprendo geni che potrebbero portare a varietà più resistenti al calore e cultivar riproduttive che possono sopravvivere all’inverno e fiorire prima che il caldo colpisca. Stanno sondando i limiti precisi del polline e persino raccogliendo polline su larga scala per spruzzarlo direttamente sui raccolti quando il tempo migliora.

In gioco c’è gran parte della nostra dieta. Ogni seme, grano e frutto che mangiamo è un prodotto diretto dell’impollinazione, spiega la biochimica Gloria Muday della Wake Forest University della Carolina del Nord. “Il parametro critico è la temperatura massima durante la riproduzione”, afferma.

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La creazione dei semi inizia quando un granello di polline lascia l’antera dell’organo riproduttivo maschile di una pianta (lo stame), si posa sullo stigma appiccicoso di un organo riproduttivo femminile (il pistillo) e inizia a far crescere un tubo. Questo tubo è formato da una singola cellula che cresce attraverso lo stigma e lungo un gambo chiamato stilo fino a raggiungere l’ovaio, dove fornisce il materiale genetico del granello di polline. La crescita del tubo pollinico è uno degli esempi più veloci di crescita cellulare in tutto il mondo vegetale, afferma Mark Westgate, professore emerito di agronomia presso la Iowa State University. “Cresce fino a un centimetro all’ora, il che è incredibilmente veloce”, dice.

Crescere a una tale clip richiede energia. Ma a temperature che iniziano intorno ai 90 gradi per molte colture, le proteine ​​che alimentano il metabolismo di un granello di polline iniziano a decomporsi, afferma Westgate.

I tubi crescono dai granelli di polline di giglio visti al microscopio. agefotostock / Alamy Foto Stock

In effetti, il calore ostacola non solo la crescita del tubo, ma anche altre fasi di sviluppo del polline. Il risultato: un granello di polline potrebbe non formarsi mai, o potrebbe scoppiare, non riuscire a produrre un tubo o produrre un tubo che esplode.

Non tutte le cultivar sono ugualmente suscettibili al calore. In effetti, i ricercatori stanno ancora elaborando i meccanismi molecolari che consentono al polline di alcune cultivar di colture di sopravvivere mentre il polline di altre si estingue.

Ad esempio, la fertilizzazione è notoriamente sensibile al calore in molte cultivar di pomodoro, una coltura che nel 2021 copriva 274.000 acri di campi aperti solo negli Stati Uniti. Se il clima diventa troppo caldo, dice Randall Patterson, presidente della North Carolina Tomato Growers Association, “il polline brucerà”. Patterson fa in modo che le sue piantagioni di pomodori fioriscano durante il periodo più lungo di notti sotto i 70 gradi e giorni sotto i 90. In genere, ha una finestra da tre a cinque settimane in cui il tempo collabora per ciascuna delle sue due stagioni di crescita annuali. “Se fa più caldo e se abbiamo più notti oltre i 70 gradi”, dice, “chiuderemo la nostra finestra”.

Muday studia il polline di una pianta di pomodoro mutante che potrebbe portare indizi per tenere aperta quella finestra. Nel 2018, il suo team ha riferito che gli antiossidanti noti come flavonoli svolgono un ruolo importante nella soppressione delle molecole, chiamate ROS, che altrimenti aumenterebbero a livelli distruttivi alle alte temperature.

Dopo un picco di caldo di maggio nel Michigan, molti mirtilli erano più piccoli del solito o non si erano formati del tutto.

Con il finanziamento della National Science Foundation, Muday fa ora parte di un team multiuniversitario che mira a scoprire i meccanismi molecolari e i geni sottostanti che potrebbero aiutare il polline del pomodoro a resistere a un periodo di calore. La speranza è che gli allevatori possano quindi incorporare questi geni in nuovi pomodori più resistenti.

Gli approfondimenti del suo studio iniziale hanno già aiutato Muday a sviluppare un pomodoro che produce livelli particolarmente elevati di flavonoli. “Sembrano essere molto bravi a gestire lo stress da temperatura elevata”, dice. In definitiva, Muday si aspetta che scopriranno che il percorso dal calore alla morte del polline coinvolge molti giocatori oltre a flavonoli e ROS, e quindi potenzialmente molti bersagli per le correzioni.

Nel frattempo, gli allevatori di pomodori e altre colture stanno già lavorando per sviluppare cultivar in grado di gestire meglio il calore. “Se gli agricoltori del Pacifico nord-occidentale o degli Stati montani o delle alte pianure coltiveranno piselli e il clima sarà più caldo, allora dobbiamo avere piselli con una maggiore tolleranza al calore”, afferma un allevatore e pianta di legumi. la genetista Rebecca McGee dell’USDA Agricultural Research Service di Pullman, Washington.

Le colture di legumi – così chiamate dal latino “puls” che significa zuppa densa – includono fagioli secchi, piselli, lenticchie e ceci. Queste piante non richiedono molta umidità. Ma se le temperature diventano troppo alte, il polline si interrompe, afferma Todd Scholz, vicepresidente della ricerca per il Consiglio USA Dry Pea and Lentil. La stessa ondata di caldo che ha colpito il raccolto di Flansburg l’anno scorso ha decimato le piante di legumi. I raccolti di lenticchie e piselli secchi sono scesi a circa la metà della produzione media, mentre i ceci sono diminuiti di oltre il 60%.

Una pianta di pomodoro mutante offre indizi per produrre polline più resistente al calore. Gloria Muday

McGee sta allevando alcuni dei suoi piselli e lenticchie per essere più resistenti alle alte temperature. Ma con altri progetti, sta adottando un approccio diverso e in qualche modo controintuitivo: allevare colture in grado di resistere al freddo.

Negli Stati Uniti settentrionali, i coltivatori in genere piantano colture di legumi in primavera. McGee sta allevando piselli, lenticchie e ceci che vengono invece seminati in autunno. L’idea è che queste cultivar sopravviveranno all’inverno e poi inizieranno a fiorire all’inizio dell’estate, dando loro la possibilità di combattere con successo per impollinare prima di un’ondata di caldo.

L’anno scorso, McGee ha rilasciato ai produttori di sementi una quantità limitata delle prime tre cultivar di piselli di qualità alimentare seminate in autunno per la sua regione. Dice che fioriscono circa due settimane prima della maggior parte dei piselli seminati primaverili e con il doppio della resa. Naturalmente, non è garantito che questi raccolti fioriscano prima che arrivi il caldo intenso, dice McGee, “ma non devi preoccuparti così tanto”.

Alla Michigan State University, Jenna Walters sta studiando come la temperatura influenza il polline – e gli impollinatori – in un raccolto di frutta. Nel fine settimana del Memorial Day del 2018, la temperatura nel sud-ovest del Michigan si è attardata a 95 gradi mentre le api ronzavano tra grappoli di delicati fiori bianchi su cespugli di mirtilli. Al momento del raccolto, molti frutti erano più piccoli del solito o non si erano formati del tutto. In uno stato che ha una media di circa 100 milioni di libbre di mirtilli all’anno, i coltivatori ne hanno raccolti solo 66 milioni.

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Walters, un dottorando che ha conseguito una doppia laurea in entomologia ed ecologia, evoluzione e comportamento, sta indagando su cosa sia andato esattamente storto. Ha iniziato individuando il limite di calore di un granello di polline di mirtillo, esponendo il polline nelle piastre di Petri a una gamma di temperature e monitorando il polline per 24 ore. I suoi risultati, non ancora pubblicati, suggeriscono che a temperature superiori a 95 gradi, i tubi pollinici non crescono.

Walters ha anche simulato un’ondata di caldo acuto esponendo i granelli di polline a una temperatura di 99,5 gradi per quattro ore e poi abbassando la temperatura a 77 gradi per altre 20 ore. “Non c’è praticamente alcun ritorno”, dice Walters. “[Heat] l’esposizione per sole quattro ore è sufficiente per causare danni permanenti.

“Dovremo fare i conti con [climate change] se vogliamo continuare a sfamare le persone”, dice un agricoltore

Ora sta confermando questi risultati in veri cespugli di mirtilli in camere di crescita impostate a temperature diverse. Se i risultati dovessero reggere, dice, 95 gradi potrebbero indurre i coltivatori ad attivare periodicamente i loro sistemi di nebulizzazione per raffreddare i campi. Ma i coltivatori dovrebbero considerare dei compromessi. “Molti agenti patogeni si diffondono attraverso un’elevata umidità o acqua, specialmente durante il periodo di apertura dei fiori”, dice. E quando le macchine per la nebulizzazione sono accese, è improbabile che la maggior parte degli impollinatori visiti.

È possibile che i cespugli di mirtilli surriscaldati possano anche portare a un minor numero di impollinatori di mirtilli nel tempo, afferma Walters. Lei e i suoi colleghi stanno confrontando il contenuto nutrizionale del polline stressato e non stressato, alla ricerca di differenze di proteine, carboidrati e altri fattori che potrebbero essere fondamentali per la salute di un’ape.

Quest’anno, riempirà otto gabbie con pareti a rete di 6 x 12 piedi con più di due dozzine di cespugli di mirtilli in vaso ciascuna, così come alcune femmine di api blu da frutteto, una delle tante specie di api che impollinano i fiori di mirtillo. Per quattro ore al giorno, nel corso di quattro o cinque settimane, starà seduta nelle sue gabbie e osserverà le api deporre le uova e cercare polline sui cespugli che, in metà delle gabbie, erano stati esposti a stress da caldo all’inizio la loro fioritura.

La preoccupazione, dice Walters, è che se il calore sta distruggendo il polline, lo stress nutrizionale farà sì che le femmine producano più uova maschili, che richiedono meno polline per essere prodotte. Ma le api blu da frutteto maschi sono meno utili per un coltivatore di mirtilli, poiché solo le femmine impollinano e depongono le uova per iniziare la generazione successiva. Per compensare la perdita di polline, dice Walters, i coltivatori potrebbero prendere in considerazione l’idea di piantare strisce di fiori di campo che sono più resistenti al calore e potrebbero fornire agli impollinatori ulteriori nutrienti.

Un’ape blu del frutteto visita un fiore di mirtillo. Jenna Walters

E poi ci sono i tecnofix. Mark Westgate, dello Iowa State, è il chief science officer di PowerPollen, un’azienda di tecnologia agricola con sede in Iowa focalizzata sul miglioramento dell’impollinazione per i produttori di semi di mais ibrido, un raccolto in cui il polline si guasta a temperature superiori a 104 gradi.

Utilizzando un dispositivo di raccolta per scuotimento delle nappe fissato a un trattore, l’azienda raccoglie grandi quantità di polline maturo nei campi, quindi immagazzina i granelli di polline vivo in un ambiente controllato. PowerPollen torna ad applicare quel polline quando le condizioni meteorologiche favoriscono la fertilizzazione, in genere entro cinque giorni dalla raccolta. La finestra sembra piccola, ma potrebbe consentire agli agricoltori di evitare una giornata particolarmente calda. L’azienda sta lavorando per estendere questo lasso di tempo e per applicare la sua tecnologia ad altre colture.

Per alcuni, una soluzione più semplice potrebbe essere quella di cambiare del tutto le colture. “Ci sono legumi che crescono nei climi tropicali, quindi è possibile che tu scelga una cultivar diversa”, afferma Scholz, del Dry Pea and Lentil Council. Ma alcuni legumi che resistono al calore, osserva, come le fave e i piselli dagli occhi neri, richiedono più umidità di quella che gli agricoltori delle zone aride del Pacifico nord-occidentale possono fornire.

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Flansburg, a Washington, non vuole cambiare. Rimane fiducioso che gli sforzi di allevamento lo aiuteranno a continuare a coltivare la colza e altre colture che la sua famiglia coltiva da generazioni. Tuttavia, si preoccupa per il futuro. “C’è un quadro generale di un clima che cambia che dovremo affrontare e affrontare se vogliamo continuare a nutrire le persone”, dice. “C’è solo un limite alla quantità di calore che una pianta può sopportare.”

Questa storia è stata prodotta in collaborazione con il Food & Environment Reporting Network, un’organizzazione giornalistica investigativa senza scopo di lucro.