Le temperature basse e sotto lo zero sono molto frequenti nell’ambiente naturale: due terzi della superficie terrestre è esposta a temperature inferiori allo zero almeno una volta all’anno (Beck et al., 2004), e, con l’accelerazione del cambiamento climatico, aumentano le frequenze e la gravità delle gelate o dei periodi di freddo durante il periodo di transizione tra inverno e primavera. Nelle piante lo stress da freddo si manifesta quando le temperature scendono al di sotto della soglia di tolleranza che normalmente è intorno a 5 °C, ma può arrivare anche a 10 °C per alcune specie di origine tropicale. Lo stress da congelamento, invece, si manifesta quando la temperatura scende al di sotto dello 0 °C. L’abbassamento termico rappresenta un vincolo ambientale significativo che limita la produttività e rappresenta un importante fattore di stress nelle piante coltivate (Ruelland et al., 2009; Ferrante e Mariani, 2018). La riduzione dell’attività fotosintetica durante lo stress da freddo determina una riduzione del trasporto elettronico nei cloroplasti, con conseguente formazione e accumulo di specie reattive dell’ossigeno (ROS). In queste condizioni, le attività degli enzimi coinvolti nella detossificazione potrebbero non essere adeguatamente elevate, portando all’accumulo di ROS, che possono causare danni alle membrane cellulari e causare la fuoriuscita di soluti inorganici e organici dalle cellule (Demidchik et al., 2014). Di conseguenza, la perdita di soluti dai tessuti funge da indicatore di stress da freddo ed è comunemente sfruttata per valutare la tolleranza di specie e cultivar allo stress da bassa temperatura. Oltre al potenziamento dei meccanismi antiossidanti, le piante rispondono allo stress da freddo aumentando i livelli di zucchero intercellulare e la produzione di crioprotettori come prolina, trealosio e poliammine (Ruelland et al., 2009).
Le temperature di congelamento, sotto lo 0 °C, arrecano danni ancora maggiori alle piante rispetto alle basse temperature (Beck et al., 2004). I danni sono dovuti al congelamento dei soluti e dell’acqua nei tessuti vegetali. Si può verificare la formazione di ghiaccio sia all’interno del simplasto, sia nello spazio extracellulare, provocando la spaccatura delle strutture intracellulari e la morte cellulare. Mentre lo stress da freddo prolungato influisce negativamente sulla crescita e sulla produzione di biomassa nelle specie coltivate, la breve esposizione a basse temperature – ma non sotto lo zero – aumenta la resistenza alle successive temperature di congelamento attraverso un processo noto come “acclimatazione al freddo” (Liu et al., 2014). Vari composti chimici hanno la capacità di indurre tolleranza al freddo e al congelamento nelle piante (Liu et al., 2014). Molto importante è la percezione dell’abbassamento della temperatura nelle piante e l’attivazione dei meccanismi di protezione e di adattamento. Le molecole di segnalazione mediano la risposta delle piante allo stress da freddo avviando reazioni a cascata, regolando l’espressione genica, l’osmoregolazione e le attività degli enzimi antiossidanti. Le molecole di segnalazione sono state in gran parte identificate e agiscono in sinergia per proteggere le cellule dai danni da freddo. Queste molecole comprendono il calcio (Ca2+), le ROS, l’ossido nitrico (NO), la guanosina monofosfato ciclico (cGMP), l’idrogeno solforato (H2S) e alcuni lipidi come l’acido fosfatidico, il diacilglicerolo (DAG), l’inositolo trifosfato (IP3) e gli sfingolipidi. Le piante, attraverso queste molecole di segnalazione attivano i meccanismi di protezione a livello molecolare per sopravvivere allo stress da freddo. Queste molecole aiutano a mitigare gli effetti negativi delle basse temperature sulle strutture cellulari e sui processi metabolici. Le principali molecole di protezione includono proteine, osmoliti, zuccheri, lipidi e composti antiossidanti.Â
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Tra le proteine crioprotettive sono da ricordare le deidrine e le proteine antigelo. Le deidrine appartengono a un gruppo di proteine denominate late embryogenesis abundant (LEA, proteine abbondanti nell’embriogenesi tardiva) e proteggono le cellule vegetali dai danni da congelamento stabilizzando membrane e proteine. Spesso le troviamo associate anche alla tolleranza alla siccità . Le proteine antigelo inibiscono la crescita e la ricristallizzazione dei cristalli di ghiaccio, prevenendo i danni cellulari dovuti alla formazione di ghiaccio. Si tratta di proteine che nei tessuti vegetali abbassano il punto crioscopico di congelamento.Â
Gli osmoliti sono sostanze osmoticamente attive dette anche osmoprotettori che hanno la funzione di stabilizzare le proteine e le membrane in condizioni di stress da freddo. La molecola più importante è la prolina che ha una funzione osmotica, ma anche antiossidante che permette l’eliminazione delle ROS. Tra gli osmoliti, il trealosio aiuta a mantenere l’integrità della membrana e previene l’aggregazione proteica, mentre il mannitolo e il sorbitolo (zuccheri alcoli) agiscono come soluti compatibili per proteggere le cellule dallo stress osmotico indotto dal congelamento.
Gli zuccheri che sono coinvolti nella protezione dal freddo sono principalmente il saccarosio e gli oligosaccaridi della famiglia del raffinosio, che proteggono le strutture cellulari agendo come crioprotettori stabilizzando membrane e proteine. Anche i lipidi possono proteggere dal freddo; in particolare gli acidi grassi insaturi e gli steroli. I primi aumentano la fluidità della membrana, prevenendo la rigidità a basse temperature, mentre gli steroli contribuiscono alla stabilità della membrana durante lo stress da freddo.
Lo stress da freddo induce spesso stress ossidativo e pertanto gli antiossidanti svolgono un ruolo fondamentale nell’attenuarlo. Tra gli antiossidanti più importanti ricordiamo l’acido ascorbico (vitamina C), il glutatione, i carotenoidi e i flavonoidi. Tutti questi composti hanno la funzione di eliminare le ROS e ridurre i danni alle membrane citoplasmatiche.
Sebbene generalmente associate allo stress da alte temperature, le proteine da shock termico (HSP) possono anche agire nel proteggere dal freddo, migliorando il ripiegamento e la stabilizzazione delle proteine. Altre proteine indotte dal freddo sono i Fattori di legame C-repeat (CBF) che attivano l’espressione dei geni sensibili al freddo (COR). Le molecole ottenute da questi geni hanno una funzione protettiva contro il freddo. In generale, tutte queste molecole lavorano all’unisono per ridurre al minimo i danni cellulari e mantenere l’attività metabolica, consentendo alle piante di adattarsi e sopravvivere alle condizioni di basse temperature.
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Biostimolanti non microbici
La maggior parte dei composti ad azione crioprotettiva di sintesi sono fitotossici e per molti di loro la sicurezza ambientale rimane sconosciuta. Pertanto, l’identificazione di prodotti a basso impatto ambientale (come i biostimolanti) in grado di migliorare la tolleranza allo stress da freddo nelle piante coltivate rappresenta un approccio sostenibile ed ecologico (Bulgari et al., 2019). I biostimolanti possono essere applicati ai semi (concia), al terreno e alle radici, alle foglie o con una combinazione di questi metodi e influenzano positivamente diversi percorsi metabolici, consentendo alle piante di adattarsi a condizioni avverse.
I biostimolanti che agiscono nell’induzione della tolleranza al freddo aumentano la biosintesi e l’accumulo di composti di protezione dalle basse temperature. L’applicazione dei biostimolanti deve essere effettuata prima che le piante siano esposte alle basse temperature, in modo da poter effettivamente accumulare le molecole protettive. I trattamenti tardivi o effettuati su piante già stressate possono risultare inefficaci perché i danni da freddo compromettono le vie biosintetiche e l’accumulo delle sostanze di crioprotezione. Dal punto di vista agronomico i biostimolanti sono dei mezzi tecnici strategici per migliorare la produttività di molte colture che durante il loro ciclo produttivo possono essere esposte alle basse temperature. Le colture più vulnerabili sono quelle a fioritura primaverile come le drupacee, in particolare albicocco, pesco e mandorlo. In generale, tutte le macroterme, con semina o trapianto precoce, possono essere esposte a dei ritorni di freddo e subire dei danni, anche irreversibili. I trattamenti devono essere pianificati in funzione delle previsioni meteorologiche, in modo che l’applicazione del biostimolante avvenga prima del verificarsi delle basse temperature.
I biostimolanti da utilizzare nella difesa dal freddo sono quelli che portano all’accumulo di sostanze osmoticamente attive e/o sostanze antiossidanti. Gli idrolizzati proteici con alto contenuto di acido glutammico possono stimolare la biosintesi sia della clorofilla, sia della prolina. L’aumento della concentrazione di clorofilla può portare a una resa più elevata e alla biosintesi di zuccheri con funzione di protezione dal freddo. L’accumulo di prolina può svolgere una funzione di protezione e rimozione dei radicali liberi. I biostimolanti ottenuti da estratti di alghe hanno dato dei buoni risultati su diverse colture. La sperimentazione su diverse colture ha mostrato l’efficacia di alcuni biostimolanti nel ridurre i danni da freddo, preservando la funzionalità fogliare (Tab. 1).Â
Nel coriandolo (Coriandrum sativum L.) il trattamento con un prodotto commerciale a base di estratto di alga ha migliorato la tolleranza al freddo delle piante, attraverso l’accumulo di acido ascorbico e fenoli (Tab. 1). Questi composti hanno la funzione di proteggere le membrane cellulari dalla perossidazione lipidica e la perdita dell’integrità cellulare. Risultati analoghi sono stati riscontrati nel cotone (Gossypium hirsutum L.) trattato con prodotti di origine animale e a base di alghe e sottoposto a stress da freddo. Il prodotto contenente l’estratto di alghe ha ridotto la perdita elettrolitica dimostrando una protezione dal freddo e una riduzione dei danni alle membrane citoplasmatiche. Prodotti a base di Ascophyllum nodosum e acidi fulvici hanno ridotto i danni da freddo nel fagiolo attraverso l’attivazione degli enzimi coinvolti nell’eliminazione dei radicali liberi. Risultati simili sono stati osservati in orzo (Hordeum vulgare L.) trattato con Sargassum angustifolium e Haematococcus pluvialis. L’effetto benefico del trattamento è sempre a carico della stabilità delle membrane cellulari, evitando la perdita di soluti e alterazioni fisiologiche.Â
Nello zucchino (Cucurbita pepo L.) un biostimolante contenente composti antiossidanti e amminoacidi ha evitato i danni da freddo attraverso l’aumento della concentrazione di prolina endogena.
Biostimolanti microbici
Le piante terrestri nelle regioni polari, temperate e tropicali sono abitualmente colonizzate da microrganismi simbionti, che svolgono un ruolo cruciale per la crescita e lo sviluppo e per la loro adattabilità alle condizioni avverse. I microrganismi simbionti includono i funghi micorrizici arbuscolari (AMF), che formano mutualismi con le radici di circa l’80% delle piante terrestri, e gli endofiti, che – a differenza dei funghi micorrizici arbuscolari – crescono all’interno dei tessuti vegetali, come ad esempio l’endosimbionte batterico Burkholderia phytofirmans e l’endofita fungino Epichloe. Sia i simbionti fungini che quelli batterici influenzano positivamente la risposta delle piante alle basse temperature in maniera diretta attivando precocemente la segnalazione ormonale (che corrisponde a una acclimatazione più rapida), migliorando la capacità antiossidante o aumentando la concentrazione di osmoliti nei tessuti. I simbionti agiscono anche indirettamente, mantenendo il metabolismo delle piante in condizioni di stress da freddo attraverso il miglioramento dell’assorbimento di nutrienti, con conseguenti effetti positivi sulla fotosintesi e sull’accumulo di biomassa delle piante.
Prove sperimentali hanno dimostrato che la simbiosi pianta-funghi micorrizici arbuscolari (AMF) ottimizza i processi del ciclo cellulare delle piante sottoposte a stress da siccità , salinità e freddo migliorando la produzione di osmoregolatori e antiossidanti (Chen et al., 2014). Nel cetriolo (Cucumis sativus L.), è stato osservato che le piante inoculate con AMF mostravano una attività ATPasi e concentrazioni di ATP significativamente più elevate. Inoltre, le AMF hanno abbassato l’attività della NADPH ossidasi con riduzione dell’accumulo del perossido di idrogeno (H2O2) e un miglioramento dell’acclimatazione al freddo (Liu et al., 2014).
I prodotti attualmente disponibili sul mercato generalmente migliorano le condizioni colturali, ma i loro meccanismi di azione non sono stati del tutto chiariti e i loro benefici sono spesso inconsistenti. Pertanto, sono necessari ulteriori studi per individuare prodotti più mirati ed efficaci nei diversi sistemi colturali.
ConclusioniÂ
I biostimolanti non microbici possono essere utilizzati come mezzi tecnici di difesa contro i danni da freddo purché vengano applicati preventivamente all’evento di stress. I prodotti più efficaci sono quelli a base di estratti di alghe o idrolizzati proteici che portano all’accumulo di composti osmoticamente attivi o antiossidanti.Â
Anche l’applicazione di biostimolanti microbici può essere utilizzata all’interno delle strategie ecocompatibili per promuovere la sintesi dei fitometaboliti, lo sviluppo delle radici, le relazioni simbiotiche e, quindi, la quantità e la qualità delle produzioni e le risposte allo stress da basse temperature.
I risultati della ricerca ottenuti fino ad oggi sui biostimolanti – microbici e non – dovrebbero essere diffusi e resi noti a tutti gli operatori del settore, compresi i servizi di divulgazione e gli agricoltori, affinché questi mezzi tecnici possano essere ampiamente applicati a una grande varietà di colture e regioni e in diverse condizioni pedo-climatiche.
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A cura di Antonio Ferrante e Laura Ercoli
Istituto di Produzioni Vegetali, Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa
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