Effects of arbuscular mycorrhizal symbiosis on nitrogen dynamics in Mediterranean agro-ecosystems

Le simbiosi arbuscolo micorriziche (AM) sono formate dai funghi appartenenti al phylum Glomeromicota e piante superiori. Le simbiosi (AM) sono caratterizzate dalla penetrazione attiva del fungo dentro negli spazi intercellulari della cortaccia radicale e dalla formazione di strutture di scambio (chiamate ‘arbuscoli’) all’interno della parere cellulare. Gli arbuscoli sono strutture ramificate formate dal fungo AM all’interno della cellula vegetale invasa e sono indubbiamente gli organi chiave della simbiosi. Durante la loro formazione, la cellula vegetale si trasforma radicalmente. In particolare, la membrana cellulare si invagina e una membrana periarbuscolare con una ampia superficie di scambio tra pianta e fungo viene sintetizzata attorno all’arbuscolo e in continuo con la membrana cellulare stessa. Molti complessi enzimatici, soprattutto transporters, vengono sintetizzati dal fungo e dalla pianta sulla membrana periarbuscolari e sono responsabili di un intenso scambio di nutrienti e di segnali tra pianta e fungo. In continuum con la rete di ife intracellulari, il fungo AM forma una rete di ife extracellulari atte all’assorbimento di nutrienti dal suolo. Nella simbiosi AM vi è un trasporto netto di zuccheri dalla pianta verso il fungo e di nutrienti minerali dal fungo AM verso la pianta. La simbiosi comporta un costo energetico che va dal 4% al 20% del carbonio fissato dalla pianta, ma nel complesso non deprime lo sviluppo della pianta in quanto ne stimola l’attività fotosintetica. Lo stimolo della fotosintesi da parte della simbiosi AM è dovuto sia alla maggiore disponibilità di nutrienti, soprattutto quelli insolubili, per la pianta grazie all’attività di assorbimento delle ife extraradicali del fungo AM, sia a uno stimolo diretto del fungo sull’attività fotosintetica. Lo stimolo diretto dell’attività fotosintetica da parte dei funghi dipende probabilmente dalla loro attività di sink di carbonio nelle radici, ma pochi studi sono ancora stati fatti in materia. La maggiore disponibilità di nutrienti assorbiti dalla pianta micorrizica rispetto alla pianta non micorrizica dipende sostanzialmente da una migliore esplorazione del volume di suolo grazie alla presenza delle ife extraradicali. Le ife extraradicali del fungo AM presentano diverse caratteristiche che le rendono più idonee dei peli radicali nell’assorbire nutrienti. Le caratteristiche sono sostanzialmente tre: 1. dimensioni notevolmente più piccole dei peli radicali (ife: 3-7 μm di diametro; peli radicali più piccoli: 5-20 μm di diametro); 2. possibilità di assorbire nutrienti in forma non disponibili per la pianta (es: fosforo e azoto in forme organiche); 3. maggiore efficienza nell’assorbimento dei nutrienti rispetto alle radici Al momento, la maggior parte degli studi hanno evidenziato i maggiori assorbimenti di fosforo in piante micorrizate rispetto al controllo non micorrizico. Tale vantaggio si concretizza soprattutto quando la pianta cresce in condizioni di scarse disponibilità di fosforo (es: terreni poco dotati o con condizioni tali che ne determinano l’insolubilizzazione) o quando la pianta cresce sotto stress abiotici. Secondo alcuni autori (Schweiger & Jakobsen, 1998) in campo le micorrize sono responsabili dell’assorbimento della maggior parte del fosforo della pianta. La simbiosi micorrizica è inoltre efficiente nell’assorbimento di azoto dal suolo. In particolare, il fungo AM assorbe soprattutto ioni ammonio, ma anche nitrato e piccoli amminoacidi. In seguito il fungo AM trasloca azoto alla pianta sotto forma di ammonio. Infine la simbiosi AM può stimolare l’attività di mineralizzazione dell’azoto attraverso una stimolazione diretta dell’attività batterica nel suolo oppure modificando gli essudati escreti dalla pianta. La presente tesi è stata finalizzata a ottenere informazioni riguardo il contributo della simbiosi AM nell’alleviare l’effetto degli stress abiotici (idrici e nutrizionali) in colture mediterranee (Trifoglio alessandrino e grano duro) e saggiare l’importanza delle micorrize nell’incrementare le disponibilità di azoto per le piante attraverso uno stimolo dell’attività di N fixation o dell’attività di mineralizzazione dell’N organico nel suolo. In particolare sono stati effettuati due esperimenti: il primo in campo per testare l’effetto della simbiosi AM sulla crescita e sul processo di azotofissazione del trifoglio alessandrino durante il ricaccio e sottoposto a condizioni di scarsa o buona disponibilità idrica. Il secondo esperimento ha invece saggiato l’ipotesi che la simbiosi AM possa incrementare le disponibilità di N per la pianta ospite attraverso uno stimolo dell’attività di mineralizzazione dell’N organico. RISULTATI E DISCUSSIONE PRIMA PROVA La coltura (micorrizata e non micorrizata, split-plot con 4 repliche) è stata sottoposta a due sfalci (a 76 e 116 giorni dalla semina [gds]) e quindi sottoposta al trattamento “disponibilità idrica” (alta e bassa). Viste le scarsissime piogge dell’anno, soprattutto in primavera (pioggia primaverile inferiore del 55% rispetto alla media poliennale), la coltura con alte disponibilità idriche è stata irrigata con 90 mm di acqua a partire dal secondo taglio. A partire dal secondo taglio, la crescita della coltura è stata monitorata con cadenza settimanale per 4 settimane. Al primo taglio (76 gds), la coltura micorrizata ha accumulato una maggiore quantità di sostanza secca nella biomassa radicale, in quella aerea e ha presentato un maggior LAI rispetto alla coltura non micorrizata. Al secondo taglio (116 gds), nessun effetto è stato riscontrato per il trattamento “micorrizzazione”). A cominciare dal secondo taglio, la coltura è stata sottoposta a due regimi di disponibilità idrica e il ricaccio è stato monitorato settimanalmente. Inoltre la % di N fization è stata stimata a 14 e 28 giorni dal taglio (met. diluzione isotopica, L. multiflorum come coltura di riferimento trattata in maniera identica al trifoglio). Il fattore micorrizazione si è concretizzato in una maggiore produzione solo a 21 e 28 giorni dal secondo taglio. In quest’ultimo rilievo (28 gds), le micorrize hanno determinato una maggiore produzione solo nella coltura sottoposta a scarse disponibilità di acqua (idricamente stressata), mentre nessun effetto della micorriza è stato riscontrato nella coltura non stressata (alte disp. idriche). La maggiore produzione delle colture inoculate con micorrize è stata rilevata in campo da altri autori (Al Karaki et al., 2004). Nella presente prova, l’assenza di un effetto della micorrizza sulla crescita del trifoglio a 7 e 14 giorni dal secondo taglio potrebbe essere dovuta a una competizione per le sostanze di riserva tra i nuovi germogli della pianta e le micorrize. In questa fase, infatti, le piante mobilitano le riserve dal fittone e dalla corona verso i germogli (Ta et al., 1990; Ourry et al., 1994; Volenec et al., 1996; Avice et al., 1997; Meuriot et al., 2004), quindi riducendo al disponibilità di nutrienti per le micorrize che a loro volta non hanno stimolato la crescita della coltura. D’altra parte, a 21 e 28 giorni dal secondo taglio, quando la coltura ha già ricostituito l’apparato fotosintetizzante per soddisfare la domanda in zuccheri della micorriza, una maggiore crescita è stata osservata nella coltura micorrizata rispetto a quella non micorrizzata. A 14 giorni dal secondo taglio, nessun effetto della micorrizzazione è stato riscontrato sulla % e sulla quantità di N fissato dall’atmosfera, mentre a 28 giorni dal secondo taglio la micorrizzazione si è concretizzata in una maggiore quantità di N fissato solo nella coltura sottoposta a stress idrico. Risultati simili sono stati ottenuti da altri autori (Schoeneberger et al., 1989; Olesniewicz & Thomas, 1999; Goss & de Varennes, 2002; Antunes et al., 2006b) i quali, in moti casi, hanno attribuito il beneficio della simbiosi AM al processo di azotofizzazione alla migliore acquisiszione di fosforo nella pianta micorrizzata rispetto alla non micorrizata (Barea & Azcón, 1983). Inoltre Porcel et al. (2003) hanno osservato una maggiore attività della nitrogenasi nella soia AM rispetto alla soia non inoculata, con effetti più evidenti in condizioni di stress idrico. RISULTATI E DISCUSSIONE SECONDA PROVA La prova è stata effettuata in vaso. I trattamenti sono stati: micorrizzazione (+ G.mosseae; controllo non micorrizzato); aggiunta di sostanza organica (+ foglie di mais arricchite in 15N; + radici di mais arricchite in 15N; controllo senza aggiunta di sostanza organica). I trattamenti sono stati replicati 12 volte e l’analisi distruttiva delle piante (frumento duro cv. Simeto) è avvenuta a 7, 9 e 13 settimane di crescita. Negli stessi rilievi, l’attività enzimatica di degradazione dell’N organico nel suolo è stata misurata con i seguenti saggi: caseinasi (idrolisi di proteine in amminoacidi); BAA-proteasi e ureasi (idrolisi di amminoacidi in urea, si tratta di enzimi concorrenti); desidrogenasi (attività di respirazione totale dei batteri del suolo). Una soluzione nutritiva Hoagland modificata (10% N strenght e senza P) è stata applicata alla dose di 5 ml vaso-1 5 giorni-1. Una maggiore produzione (+15,6%) e N uptake (+15%) è stata osservata nella coltura AM rispetto alla coltura non micorrizzata. Ad ogni modo, nessun effetto della micorrizzazione è stato osservato sulla % di azoto delle piante. Altre ricerche hanno mostrato che l’effetto della simbiosi micorrizica sulla crescita del frumento è variabile (Al-Karaki & Al-Omoush, 2002; Li et al., 2005 and 2006) è può spaziare da un effetto depressivo a un effetto di forte stimolo. In generale, la simbiosi AM migliora l’N uptake del frumento in quanto accresce la capacità esplorativa e l’efficienza di assorbimento dell’N minerale (Miyasaka & Habte, 2001). Tale miglioramento è inoltre più evidente quando pianta e fungo AM non esplorano lo stesso volume di suolo (Hodge et al., 2001). La micorrizzazione ha praticamente dimezzato la % di azoto proveniente dalla sostanza organica e l’N recovery fraction del frumento. Al contempo, una maggiore attività di respirazione e proteolitica del suolo è stat osservata nella coltura micorrizzata rispetto al controllo non micorrizzato. In teoria, la maggiore attività proteolitica avrebbe dovuto implicare una più alta disponibilità di N proveniente dalla sostanza organica per le piante, il che avrebbe dovuto accrescere (e non diminuire) sia l’N recovery fraction che la % di N proveniente da SO. Anche Hodge et al. (2000b) ha osservato che una maggiore decomposizione dell’N organico nei trattamenti +AM rispetto al controllo –AM non era legata a un maggiore N recovery fraction. È possibile che nel sistema in esame, piante e microorganismi abbiano presentato una competizione differenziata per le diverse fonti di N: le piante micorrizzate sono state più efficienti nell’assorbire l’N minerale, mentre i batteri sono stati più efficienti nell’assorbire e metabolizzare l’N proveniente da sostanza organica. In tali condizioni, le piante micorrizzate hanno rapidamente esaurito le riserve minerali di N nel suolo e ciò ha stimolato i batteri a secernere enzimi proteolitici per far fronte alle proprie necessità di N. Di fatto, le proteasi batteriche sono enzimi inducibili secreti in relazione diretta al rapporto tra N organico e inorganico nel suolo (Gill & Modi, 1981; Chrost, 1991). Inoltre, nel breve periodo, i batteri sono più competitive delle piante a competere per l’azoto proveniente da SO (Nadelhoffer et al., 1985; Kaye & Hart, 1997; Hodge et al., 2000a) e quindi la riduzione dell’N recovery fraction può essere dovuta a un temporaneao sequestro dal sistema di N da SO organica da parte dei batteri. A conferma indiretta di questa ipotesi, Hodge (2003) ha osservato che dopo la raccolta, una più alta quantità di N mineralizzato dalla SO era presente nel suolo di piante micorrizzate rispetto a quello di piante non micorrizzate. CONCLUSIONI In entrambe le prove, la simbiosi micorrizzica è stata fondamentale nel determinare una maggiore crescita e accumulo di N in colture sottoposte a stress abiotici (idrici o nutrizionali). Nessun effetto è stato comunque riscontrato sulla concentrazione in N delle biomasse analizzate. Nella prova di campo, la simbiosi AM ha migliorato la produzione e il processo di N fixation solo in condizioni di stress idrico e non quando la coltura è stata allevata con alta disponibilità idrica. Negli ambienti mediterranei semiaridi, le colture autunno vernine soffrono spesso condizioni di siccità durante la fase finale del ciclo colturale, quindi nella scelta delle pratiche agronomiche da adottare, una particolare attenzione dovrebbe essere posta nell’effetto delle stesse sulla popolazione naturale di micorrize. Inoltre, l’inoculo del suolo con ceppi di funghi micorrizici efficienti nel ridurre gli stress idrici potrebbe essere una fruttuosa pratica agronomica nei nostri ambienti. Nella prova in vaso, la simbiosi ha determinato una maggior produzione, N uptake e una più alta attività enzimatica del suolo, la quale è direttamente correlata con la qualità del suolo stesso. La maggiore attività enzimatica, tuttavia, non ha presentato relazione con un cambiamento qualitativo della comunità microbiaca, il che suggerisce un effetto diretto delle micorrize sul processo di decomposizione dell’N organico.