A partire da 2015, Rodale Institute ha iniziato studi in serra per determinare se le colture possono essere allevate per tollerare le erbacce. Questi studi valuteranno il potenziale dell'esposizione alle infestanti per indurre colture tolleranti alle infestanti sulla base del riconoscimento che la competizione per la luce gioca un ruolo chiave nelle prestazioni delle piante.
Si ipotizza che le prestazioni della progenie (o della prole) di piante in prova esposte allo stesso stress biotico (stress che si verifica a seguito di danni arrecati alle piante da altri organismi viventi come le erbacce) siano maggiori delle piante parentali. L'esperimento è progettato come un disegno a blocchi uno per tre fattoriale completamente randomizzato replicato tre volte. Le piante di avena vengono piantate in contenitori circondati da loietto annuale o da pigweed redroot, con piante di avena o terreno come controllo (Figura 1).
Le piantine di piante da coltura di prova vengono diradate a una pianta per contenitore. I dati agronomici sull'altezza della pianta, il numero di foglie di ciascuna pianta e le misurazioni dell'area fogliare vengono raccolti dalle piante di prova ogni settimana. Le infestanti vengono regolarmente tagliate per limitare la risposta che evita l'ombra ai cambiamenti nello spettro della luce piuttosto che all'effettiva ombreggiatura. Alla maturità della pianta vengono misurati la biomassa delle colture e la resa in grano. I semi della progenie F2 e F3 di piante coltivate esposte a due diverse specie di infestanti saranno testate per la resilienza contro le infestanti rispetto alla generazione dei genitori F1. I test saranno effettuati in serra e nei campi di ricerca presso Rodale Institute e altre istituzioni collaboratrici come l'Università del Wyoming.
Base scientifica dello studio
La capacità delle piante di rispondere ai patogeni patogeni acquisendo resistenza sistemica quando esposte a tali patogeni è stata ampiamente studiata (Casal, 2012; Slaughter et al., 2012). Precedenti ricerche con Arabidopsis (un membro della famiglia della senape) hanno stabilito che tali difese acquisite possono essere ancora più pronunciate nella progenie rispetto alla popolazione di piante parentali (Slaughter et al., 2012), simile a vaccinare un genitore e vedere l'immunità nella loro bambini (Coombs, 2012). La capacità delle erbe infestanti di indurre in modo simile specie coltivate resistenti alle infestanti non è stata ancora stabilita.
È ampiamente noto che le piante possono percepire quando altre piante sono vicine a loro, una risposta chiamata evitamento dell'ombra (Holmes e Smith, 1977).
La risposta all'evitamento dell'ombra è attribuita alla capacità delle piante di discernere i cambiamenti nello spettro della luce all'interno della chioma di una popolazione di specie vegetali che crescono insieme. Dato che le piante assorbono la luce rossa per la fotosintesi, viene riflessa la parte del vicino infrarosso dello spettro luminoso che non è necessaria per la fotosintesi. Le piante rilevano questi cambiamenti nello spettro della luce, come l'aumento della proporzione di luce nel vicino infrarosso nella luce riflessa, innescando una risposta per evitare l'ombra (Slaughter et al., 2012).
Questo evitamento può essere visto come la risposta preventiva delle piante all'imminente concorrenza dipendente dalle risorse (Casal, 2012). La risposta attiva meccanismi fisiologici all'interno della pianta che ne aumentano l'idoneità in un ambiente competitivo, come l'aumento dell'allungamento del fusto, la ridotta ramificazione e la produzione precoce di semi (Franklin e Whitelam, 2005).
La risposta all'elusione dell'ombra, tuttavia, può conferire un costo opportunità se espressa in un ambiente non competitivo (Casal, 2012). Ad esempio, la produttività delle colture che esprimono risposte che evitano l'ombra alle erbe infestanti all'inizio della stagione può diminuire anche quando le infestanti vengono rimosse più tardi dopo che le colture sono già state "preparate" per rispondere alla concorrenza.
Questo studio mira a determinare se: 1) queste risposte sono ereditabili e 2) possono rendere la progenie più tollerante alle erbe infestanti senza comprometterne la produttività, in modo simile alla risposta di resistenza acquisita sistemica delle piante ai patogeni.
Risultati preliminari
Questo studio è stato condotto in collaborazione con il Dr. Andrew Kniss, Professore Associato di Weed Science presso l'Università del Wyoming a Laramie. Il Dr. Kniss ha recentemente condiviso con noi risultati preliminari molto interessanti del loro esperimento.
Nel loro studio, il grano (stanno usando il grano invece dell'avena) è stato coltivato in contenitori circondati da erba infestante o circondati dal suolo nella generazione dei genitori (F1) come descritto sopra. I semi di grano della generazione parentale (F1) sono stati salvati e piantati in contenitori circondati da erbacce o terreno in modo tale che avessero tutte le possibili combinazioni di ambienti infestanti / suolo per la 1a generazione e la 2a generazione (suolo poi suolo; suolo poi erba; erbacce poi terra; erbacce poi erbacce).
Il dottor Kniss ha raccolto e analizzato i dati della percentuale di teste di grano di seconda generazione (F2 o progenie) all'inizio del processo di intestazione. I dati hanno mostrato che c'era il 63% e il 75% della progenie del grano esposta rispettivamente alle erbe infestanti o al suolo i cui genitori erano esposti alle erbe infestanti (Tabella 3). La progenie del grano i cui genitori non erano stati esposti alle erbacce aveva lo 0 e il 13% di intestazione quando esposta rispettivamente alle erbe infestanti e al suolo (Tabella 3).
Questi risultati suggeriscono fortemente che la data di riferimento nel raccolto da reddito di seconda generazione (grano) è stata significativamente influenzata dall'ambiente di crescita della generazione precedente rispetto all'ambiente di crescita attuale (Tabella 2) - la prova più forte che abbiamo mostrato finora che la risposta per evitare l'ombra all'esposizione alle infestanti è ereditaria!
A causa dello spazio limitato in serra e dei semi di uno studio precedente, la nostra ricerca su Rodale Institute non è stato ancora ampliato per esplorare tutte le possibili combinazioni dei nostri trattamenti complementari avena / erba. Finora le generazioni della progenie sono state esposte allo stesso ambiente delle generazioni dei genitori. I risultati preliminari di questi esperimenti non erano statisticamente significativi tra i trattamenti.
Tuttavia, i risultati hanno mostrato una tendenza che indicava che le piante di avena di seconda generazione esposte alle infestanti annuali di loietto erano più alte dei controlli (avena-avena o avena-suolo) (Figura 4). Non c'era alcuna differenza statistica o numerica nell'altezza della pianta tra i tre trattamenti nelle piante di avena di prima generazione (Figura 3). Questi risultati sono conformi a quelli del Wyoming in quanto suggeriscono anche che la generazione della progenie potrebbe aver ereditato e amplificato la loro risposta per evitare l'ombra alla presenza di erbe infestanti.
Con più spazio in serra assicurato, la fase successiva di questo esperimento coinvolgerà tutti i possibili trattamenti fattoriali di avena / erbaccia compagna di semi di avena di seconda e terza generazione. Passeremo quindi ai test sul campo.
Emmanuel Omondi, Ph.D. è lo scienziato associato e direttore del Prova dei sistemi di allevamento at Rodale Institute.