I ricercatori sulle piante devono valutare efficacemente le prestazioni delle colture, sia che stiano selezionando la varietà migliore, sia che stiano cercando di capire la tolleranza agli stress abiotici, studiando la resistenza alle malattie o determinando la resilienza al clima. Ma se vi limitate a misurare i dati meteorologici, potreste perdere degli indicatori di prestazione chiave. In questo articolo e nel video che segue, parliamo di un indicatore importante ma spesso trascurato: il potenziale idrico del suolo. Il potenziale idrico è poco utilizzato dai ricercatori vegetali negli studi sugli stress abiotici, anche se è l'unico modo per valutare le reali condizioni di siccità quando si determina la tolleranza alla siccità nelle piante. Scoprite cos'è il potenziale idrico e come può migliorare la qualità dei vostri studi sulle piante.
Se avete studiato le popolazioni vegetali, probabilmente conoscete l'equazione semplificata della Figura 1, che rappresenta il modo in cui pensiamo all'impatto della genetica e dell'ambiente sui fenotipi osservabili.
Questa equazione scompone il fenotipo osservato (altezza della pianta, resa, colore del nocciolo, ecc.) negli effetti del genotipo (la genetica di base della pianta) e negli effetti dell'ambiente (precipitazioni, temperatura media giornaliera, ecc.). Da questa equazione si evince che la qualità dello studio dipende direttamente dal tipo di dati ambientali raccolti. Pertanto, se non si misura il giusto tipo di dati, l'accuratezza dell'intero studio può essere compromessa.
Gli studi sulla siccità sono notoriamente difficili da replicare, quantificare o persino progettare. Questo perché non c'è nulla di prevedibile nei tempi, nell'intensità o nella durata della siccità ed è difficile fare confronti tra siti con tipi di suolo diversi. Sappiamo anche che il solo esame delle precipitazioni, o anche del contenuto volumetrico di acqua, non descrive adeguatamente le condizioni di siccità che si verificano nel suolo. Il potenziale idrico del suolo è uno strumento essenziale per quantificare lo stress da siccità nella ricerca sulle piante, perché permette di fare valutazioni quantitative sulla siccità e fornisce un modo semplice per confrontare questi risultati tra i vari siti del campo e nel tempo. Vediamo perché.
Quando pensiamo al suolo, di solito lo facciamo nel contesto della crescita delle piante. Sappiamo che il suolo influisce sulla crescita delle piante attraverso la disponibilità di sostanze nutritive, la potenziale pressione delle malattie, la crescita delle radici e la disponibilità di acqua.
Molti ricercatori ritengono che la disponibilità idrica delle piante possa essere determinata con un tradizionale sensore di umidità del suolo che misura il contenuto volumetrico di acqua.
Ma se state cercando di caratterizzare lo stress da siccità, di capire l'efficienza d'uso dell'acqua nelle colture o di studiare la tolleranza agli stress abiotici nelle piante con un sensore di contenuto d'acqua, state misurando il parametro sbagliato. Il contenuto d'acqua dice solo quanta acqua c'è nel terreno. Non può dire se quell'acqua è disponibile per le piante. Guardate questo breve video per capire perché questo è vero.
Un problema nell'utilizzo dei dati sul contenuto volumetrico di acqua per quantificare lo stress abiotico è che è necessario conoscere il tipo e la tessitura del suolo per interpolare le informazioni sulla disponibilità di acqua nel contesto della pianta. Questo rende difficile il confronto se i tipi di suolo sono diversi in più siti. Il potenziale idrico del suolo, invece, valuta direttamente la disponibilità idrica. Ciò significa che tiene già conto della tessitura del suolo. Quando si misura il potenziale idrico, si dispone di una misura direttamente comparabile tra i vari siti e nel tempo, senza bisogno di ulteriori analisi o calibrazioni specifiche per il suolo.
L'altro problema dell'utilizzo del contenuto volumetrico d'acqua per indicare lo stress da siccità è che il contenuto d'acqua è solo una quantità. Ci dice quanta acqua è stata aggiunta (o sottratta) al terreno. Ma non può dirvi quanto sia accessibile quell'acqua alle piante o quanta energia sia necessaria per accedervi. Il potenziale idrico, invece, indica l'energia dell'acqua nel terreno e se le piante sono tranquille o stressate, indicando quanta acqua del terreno è disponibile per loro. Ecco perché il potenziale idrico è una misura molto più informativa del contenuto d'acqua quando si vuole sapere se le piante stanno vivendo condizioni di vera siccità. Guardate come funziona nel video qui sotto.
Alcuni evitano di misurare il potenziale idrico del suolo perché la sua definizione è complicata e difficile da capire. Ma non è necessario capire il potenziale idrico del suolo per usarlo in modo efficace. Si può pensare al potenziale idrico come a una sorta di termometro dell'acqua per le piante. Proprio come quando si guarda il termostato di casa e si vedono 22 C (72 F) e si pensa "questo è confortevole per me come essere umano", si possono guardare i dati sul potenziale idrico del suolo e capire se la quantità d'acqua nel terreno è confortevole o meno per le piante. Il video qui sotto spiega perché.
La Figura 4 illustra come si possa pensare al potenziale idrico come a una sorta di "termometro di comfort" per le piante. Si noti che i valori di kPa per il potenziale idrico sono sempre riportati come valore negativo. Un modo per pensare ai kPa è che più il valore è negativo, più il terreno è secco. Un valore pari a zero si trova nell'intervallo di completa saturazione, mentre a partire da -1000 kPa si inizia a raggiungere il punto di appassimento permanente.
Nella parte inferiore della Figura 4, si può notare che durante il periodo vegetativo il mais preferisce una temperatura di -50 kPa. Durante la maturazione, invece, preferisce che il terreno si trovi nell'intervallo di kPa compreso tra -800 e -1200, che è un po' più secco.
Nella parte superiore della Figura 4, si nota che le patate preferiscono una finestra più stretta, compresa tra -30 e -50 kPa.
I due grafici seguenti illustrano come i dati sul potenziale idrico possano fornire un quadro più preciso dello stress idrico nelle piante. La Figura 5 mostra alcuni dati sul contenuto volumetrico d'acqua nei tappeti erbosi.
Si notino i picchi di irrigazione o di precipitazione nel tempo. Senza un contesto sul tipo di terreno, è difficile trarre conclusioni sulla disponibilità d'acqua o su quanto il terreno sia adatto al tappeto erboso in questo campo.
Nella Figura 6, aggiungiamo i dati sul potenziale idrico, che rendono molto più facile vedere se le piante si trovano in un intervallo ottimale per la disponibilità di acqua.
Da questo grafico si può notare che all'inizio della stagione l'irrigazione era eccessiva. Verso luglio, hanno ridotto la frequenza di irrigazione, consentendo al terreno di asciugarsi e di avvicinarsi all'intervallo ottimale di -30-50 kPa.
Tra la fine di agosto e l'inizio di settembre, si nota che hanno iniziato a far passare troppo tempo tra un'irrigazione e l'altra, sottoponendo il tappeto erboso a un notevole stress da siccità. Il calo del contenuto d'acqua intorno al 13 settembre non è molto diverso dai cali che si verificano prima e dopo. È solo quando si osservano i dati sul potenziale idrico che si nota il drastico calo rispetto all'intervallo ottimale di kPa, che potrebbe spingere il tappeto erboso al punto di appassimento permanente. Per ulteriori informazioni sulla comprensione dei dati, guardate il nostro webinar Come interpretare i dati sull'umidità del suolo.
Il potenziale idrico, come qualsiasi altra cosa, ha dei limiti quando viene utilizzato per determinare la tolleranza alla siccità nelle piante. Ecco tre cose da considerare:
Quando si effettuano misurazioni del potenziale idrico, è meglio concentrarsi sulla quantità o sulla qualità dei dati? La risposta potrebbe sorprendervi. Uno studio recente ha analizzato questo compromesso nel contesto dei dati di fenotipizzazione delle piante. Lo studio ha confrontato la misurazione manuale delle piante in campo - un metodo molto accurato ma che richiede molta manodopera - con l'estrazione dell'altezza delle piante dalle immagini dei droni, che generano dati molto più numerosi (ma meno accurati). Si è scoperto che i sacrifici in termini di precisione si compensano con una maggiore capacità di produzione. In altre parole, è generalmente preferibile avere più punti di dati piuttosto che averne di meno e più accurati (vedi Lane, H.M. e S.C. Murray. 2021. Crop Science. L'alta produttività può produrre decisioni migliori rispetto all'alta precisione nella fenotipizzazione delle popolazioni vegetali).
Questo concetto di elevata produttività si applica alla cattura della variabilità del sito durante la raccolta dei dati sul potenziale idrico o di qualsiasi altro tipo di dati ambientali. Ad esempio, nella Figura 8, si noti l'elevata variabilità delle misure di conducibilità elettrica di massa. Se si disponesse di un solo punto di campionamento o di pochi punti, si potrebbero trarre conclusioni errate estrapolando i dati dal sito.
Sia che stiate cercando di selezionare la varietà migliore o di capire meglio le malattie o la resistenza al clima, la capacità di raggiungere i vostri obiettivi di ricerca dipende dalla capacità di raccogliere il giusto tipo di dati. Aggiungendo i dati sul potenziale idrico a quelli sul contenuto d'acqua e alle condizioni meteorologiche, il vostro studio potrà valutare con precisione se le vostre piante stanno realmente subendo uno stress da siccità. Per un approfondimento sulla differenza tra contenuto idrico e potenziale idrico, guardate il nostro webinar Soil Moisture 101.
Lane, Holly M. e Seth C. Murray. "L'alta produttività può produrre decisioni migliori rispetto all'alta precisione nella fenotipizzazione delle popolazioni vegetali". Crop Science 61, no. 5 (2021): 3301-3313. Link all'articolo.
Scoprite perché il dottor Andrew Green e i suoi consulenti, il dottor Gerard Kluitenberg e il dottor Allan Fritz, ritengono che il monitoraggio del potenziale idrico nel terreno sia l'unico modo quantificabile per imporre un trattamento coerente e ripetibile negli studi sullo stress da siccità.
Leggi il caso di studio: "Screening per la tolleranza alla siccità"
I nostri scienziati hanno decenni di esperienza nell'aiutare ricercatori e coltivatori a misurare il continuum suolo-pianta-atmosfera.
Il potenziale idrico è un indicatore migliore dell'acqua disponibile per le piante rispetto al contenuto idrico, ma nella maggior parte delle situazioni è utile combinare i dati di entrambi i sensori.
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