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Sono trascorsi oltre 500 anni da quando le popolazioni indigene del Centro America iniziarono a modificare alcune caratteristiche dei frutti che andavano raccogliendo sulle piante delle zucche che, in quel continente, prosperavano spontaneamente in grandi quantità.

Le diverse varietà “antiche” del genere Cucurbita presentavano però alcuni aspetti problematici inerenti la composizione della polpa e la consistenza delle bucce tali da rendere le zucche praticamente inutilizzabili per l’alimentazione umana a causa del loro sapore molto sgradevole e, in particolare, per la durezza dei tessuti che formavano la polpa stessa. Con il trascorrere del tempo e con l’arguzia degli indigeni amerindi – autori inconsapevoli di una “selezione genetica” ante litteram – comparvero le prime piante che portavano frutti sempre più adatti al consumo umano. 

Solo da alcuni decenni, grazie alle ricerche degli scienziati che si sono occupati di archeologia botanica, sono disponibili le risposte scientifiche che ci rendono chiari i vari passaggi che hanno visto i progressivi cambiamenti che stanno alla base della “domesticazione” di svariate specie botaniche.

Il silicio e le sue implicazioni agronomiche

Le popolazioni native americane non potevano essere a conoscenza del gene “HR – Hard ring” che codifica la produzione della lignina e dei “fitoliti” (si veda in seguito) cioè le due componenti che rendevano la buccia molto dura e le polpe di sapore amarognolo. Si sfruttava quindi la “durezza” delle zucche che le rendeva adatte all’uso come recipienti per l’acqua, per gli alimenti, come galleggianti per le zattere e diversi altri usi. 

È più che certo che, nel corso di decenni, si arrivò poi progressivamente alla individuazione e alla conseguente selezione di piante, originate da incroci spontanei, con frutti più adatti alla cottura e alla masticazione per il semplice motivo che si trattava di esemplari già naturalmente impoveriti – per incroci spontanei – di silicio e lignina. 

Da recenti studi effettuati sulle bucce delle “zucche antiche” individuate presso i siti archeologici, utilizzando le moderne tecniche di microscopia elettronica, è stato possibile andare alla ricerca e alla quantificazione della presenza del silicio in forma di silice amorfa; a questa struttura fu associato il termine di fitoliti, quindi delle vere e proprie “pietre vegetali” (immagine  n. 1) prevalentemente concentrate negli strati prossimi alla superficie della buccia.

Studiando e confrontando la presenza dei fitoliti negli strati sottostanti l’epidermide delle zucche “antiche” rispetto alle bucce delle zucche “moderne” si è arrivati così alla constatazione oggettiva di una progressiva “de-silicizzazione dei tessuti dei peponidi” sino ad arrivare – in certi casi – alla quasi completa assenza di silicio nei frutti e nei vari organi delle piante di zucca moderne. 

Se da un lato, le azioni che hanno portato alla riduzione o rimozione del silicio dalle piante hanno procurato notevoli vantaggi alle popolazioni che potevano così aumentare le quantità di cibo a loro disposizione, dall’altro hanno creato le condizioni per rendere le piante stesse più vulnerabili sia all’azione di patogeni (parassiti fungini e batterici), sia ai danni causati da agenti abiotici (come deficit idrico, danni da vento, da stress termici, etc…). 

Quindi, come effetto diretto della progressiva riduzione del silicio nei tessuti, è venuto a mancare quel componente strutturale che fungeva da “barriera” naturale, un vero e proprio fattore di autodifesa, in grado di impedire, ad esempio, la penetrazione dei propaguli degli agenti fungini che entrano in contatto con le superfici di frutti, foglie e altre componenti. Questi ultimi aspetti sono oggi al centro di numerosi studi e ricerche in diverse parti del mondo con un numero sempre maggiore di esperti impegnati in lavori di analisi e verifica delle ripercussioni negative sulle piante coltivate riconducibili all’impoverimento della presenza dell’elemento silicio nei propri tessuti e organi.

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Il ruolo del silicio nell’agricoltura moderna

Definire il silicio come «l’elemento dimenticato» è decisamente una provocazione che trova però – limitatamente al mondo agronomico – una sua giustificazione più o meno motivata dovuta al fatto che al silicio non viene attribuita la dovuta importanza già dai luoghi della formazione tecnica e scientifica (Istituti Agrari, Università, Centri di Ricerca). Ben diversa è la notorietà riconosciuta a questo importante elemento nel mondo della fisica, dell’elettronica, della chimica industriale, dei materiali per l’edilizia, della medicina e in svariati altri settori. 

Ci preme qui riportare una frase del professore Orfeo Turno Rotini – padre nobile della chimica agraria – che, nel trattato “Gli elementi fitonutrienti e la fertilità del terreno” (Edagricole 1984), scrive: “Quando la chimica organica del silicio sarà più diffusamente conosciuta, data l’ubiquità del silicio nel mondo in cui vivono le piante, non è del tutto improbabile che la sua partecipazione alla edificazione degli organismi vegetali apparirà più evidente e la sua utilità meno controversa”. Bisogna però arrivare alla fine del primo decennio del 2000 per ritrovare un certo interesse sia da parte del mondo scientifico, sia dalle industrie presenti nel settore dei mezzi tecnici; questo accadde in occasione del «Siliforce day – Bologna 24 marzo 2009» grazie alla relazione della dottoressa Alessandra Trinchera del CRA-RPS Roma. Da quella data, almeno in Italia, si è assistito a un progressivo, seppur lento, fiorire dell’interesse sul silicio e sui formulati adatti all’impiego in agricoltura. L’auspicio è che esca sempre più dalla “clandestinità” e sia al più presto inserito a pieno titolo nell’elenco ufficiale dei nutrienti utili per le piante. Ora, tra gli addetti ai lavori, il dibattito è iniziato e, a fronte di diversi contributi scientifici, molti studiosi hanno dato il via a un serrato confronto che riteniamo estremamente utile per poter arrivare a un aggiornamento delle categorie dei fitonutrienti che vede ancora confinato il silicio come elemento “forse essenziale” per le piante.

Con i lavori sperimentali che presenteremo intendiamo dare un contributo prevalentemente di “impostazione tecnica” e divulgativa, utile a integrare le attuali conoscenze riguardanti il silicio. 

Macro e microelementi 

Nel corso degli ultimi decenni, analizzando la sostanza secca e le ceneri delle piante, è stato possibile identificare quali sono gli elementi chimici che ne fanno parte. Grazie a questi studi analitici sono stati quindi “identificati” e “quantificati” per poi stabilire che attualmente sono diciannove gli elementi ritenuti “indispensabili” per la vita dei vegetali. Vengono suddivisi in due gruppi distinti in funzione della loro presenza quantitativa: gli elementi definiti come macroelementi (C, O, H, K, Ca, Mg, P, S) sono presenti con quantità superiori all’0,1% in peso della sostanza secca (s.s.); mentre i microelementi (Fe, Cl, Mn, Zn, B, Cu, Mo), definiti anche oligodinamici, sono presenti in piccole quantità sempre inferiori allo 0,1% della s.s. I macroelementi vengono a loro volta suddivisi in “plastici” quando sono parte integrante e indispensabile alla struttura della cellula vegetale e del citoplasma (ad esempio, carbonio, ossigeno, idrogeno, azoto, fosforo, zolfo), e “dinamici” quando sono parte attiva in processi metabolici. 

Pur se presenti nelle cellule in quantità minima, anche i microelementi sono indispensabili. Tuttavia, la loro presenza è sempre stata molto attenzionata da parte degli studiosi perché presentano potenziali rischi di accumulo nei vegetali, con la conseguenza di superare facilmente, anche con minimi eccessi, la soglia di tossicità, con gravi ripercussioni sulla vita stessa delle cellule vegetali e degli organismi che se ne nutrono e, non per ultimo, dell’ambiente.

Una ulteriore suddivisione degli elementi nutritivi per le piante può essere fatta in funzione della loro provenienza, oltre che del grado di essenzialità:

1. elementi essenziali assorbiti dall’aria o dall’acqua: idrogeno, carbonio, ossigeno;
2. elementi essenziali assorbiti dal terreno: azoto, fosforo, calcio, potassio, magnesio, ferro, rame, zinco, zolfo, boro, molibdeno;
3. elementi benefici assorbiti dal terreno e, forse essenziali, per le piante: vanadio, nichel, silicio;
4. elementi benefici, ma non essenziali per le piante: cobalto, alluminio, selenio, iodio.

Tanti altri elementi chimici (cromo, cobalto, stagno, cadmio, piombo, mercurio, etc.) possono essere presenti nelle piante, pervenuti sia dal terreno per assorbimento radicale, sia dall’aria per via dell’inquinamento ambientale. 

Il silicio nel suolo e nell’acqua

Il silicio è il secondo elemento quantitativamente più rilevante nella litosfera (25%) dopo l’ossigeno e, addizionato all’alluminio, va a formare il 59% della crosta terrestre.
Prima di proseguire, è doveroso anche un breve cenno al “tetraedro”  [(SiO4 )4-]” che rappresenta l’unità strutturale (poliedro di coordinazione) alla base delle svariate combinazioni che, attraverso l’unione con altri elementi chimici, danno origine ai silicati e, a loro volta, alle rocce silicatiche di varia genesi e natura. 

Si può osservare in Figura 1 che il silicio è legato a quattro atomi di ossigeno; a seconda del silicato formato ogni tetraedro potrà essere “isolato” oppure condividere uno o più atomi di ossigeno con altri tetraedri. Rimandiamo ai testi di mineralogia tutti gli aspetti relativi alla classificazione dei minerali appartenenti alla classe dei silicati. Ciò che preme sottolineare è che, indipendentemente dal tipo di silicato formato, il legame tra silicio e ossigeno è molto forte. Ne segue che, se questi minerali vengono a contatto con soluzioni con le caratteristiche di quelle normalmente circolanti nel suolo, il rilascio del silicio è estremamente limitato o, in altre parole, avviene molto lentamente. A questo si aggiunge il fatto che il silicio difficilmente permane in soluzione, precipitando a formare altre fasi o, come più spesso accade nei suoli in tempi brevi, silice amorfa. Ben poco quindi rimane in una forma disponibile per le piante (tavola n. 1).

 

Non entreremo nel dettaglio sui vari processi pedogenetici, è tuttavia importante ricordare che i minerali (silicatici) presenti in un suolo sono strettamente correlati con la roccia madre che li ha generati. Di fatto, nel suolo, il silicio è presente in due forme: 

1) in forma cristallina, come costituente principale di minerali alluminosilicatici (della roccia madre o di neoformazione) come il quarzo, feldspati, miche, minerali delle argille, e altri;

2) in forma amorfa o a ridotto ordine cristallino, come fase colloidale della silice talvolta erroneamente identificata con i minerali allofane e imogolite, fasi tra l’altro non molto diffuse. Semplificando notevolmente, è intuitivo che vi saranno suoli “naturalmente” più ricchi di silicio rispetto ad altri. Ad esempio, suoli derivati dall’alterazione di basalti oppure graniti (rocce magmatiche silicatiche) presenteranno certamente elevati contenuti di silicio; al contrario, suoli che derivano dall’alterazione di rocce prevalentemente carbonatiche ne saranno fortemente impoveriti. Come detto, si tratta di una notevole semplificazione poiché le proprietà e caratteristiche di un suolo dipendono da molti altri fattori (non per ultimo quello antropico). Paradossalmente, in suoli maturi, il silicio disponibile per le piante potrebbe essere maggiore là dove in concentrazione assoluta è più basso, ad esempio se persistono condizioni geochimiche che ne facilitano la dissoluzione. Indipendentemente da questo, il silicio – per effetto dei processi di alterazione dei minerali silicatici – viene normalmente rilasciato nella soluzione circolante del suolo sottoforma di acido silicico, una forma piuttosto instabile in ambienti naturali che tende a originare, come ricordato, silice amorfa insolubile e non biodisponibile. Questo accade poiché la quantità di silicio di origine pedogenetica che si mantiene “libero” nel suolo in forma di acido ortosilicico (H4SiO4) viene ridotta a seguito di fenomeni di polimerizzazione con la neo-formazione di dimeri e trimeri che via via vanno a costituire dei veri e propri gel di silice amorfa che contengono il silicio in forma non più disponibile per l’assorbimento radicale (tavola n. 2).

Altra origine di silicio a disposizione degli apparati radicali potrebbe essere (ma non facile da dimostrare e quantificare) la frazione rilasciata da strutture inorganiche di origine vegetale che prendono il nome di fitoliti, presenti nel suolo in quantità numericamente molto elevate.

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A cura di: Daniele Malferrari – Dipartimento di Scienze chimiche e geologiche dell’Università di Modena e Reggio Emilia e Stefano Poppi – Divulgatore della società Agrisana srl