Vaclal Smil, nel suo libro Invenzioni e innovazioni (edito dalla storica e purtroppo – ma speriamo ancora di no – in chiusura casa editrice Hoepli) racconta una scoperta che aspettiamo tutti da tempo: la fissazione dell’azoto da parte delle piante: che cos’è? Come si potrebbe fare. Ci sono tre opzioni. Vediamole.
La scoperta della fissazione rizobiale dell’azoto ha aperto un’interessante possibilità: è possibile indurre i cereali a comportarsi come piante leguminose e fissare tutto o quasi tutto l’azoto necessario attraverso la simbiosi con i nitrobatteri attaccati alle loro radici?
Già nel 1917 Thomas Burrill e Roy Hansen, ricercatori della Agricultural Experimental Station presso l’Università dell’Illinois, pubblicarono una relazione intitolata “È possibile la simbiosi tra i batteri dei legumi e le piante non leguminose?” Per decenni questa rimase un’idea affascinante senza che vi fossero le possibilità pratiche per una sua graduale realizzazione. Ma con il progredire delle nostre conoscenze sulla fisiologia e la genetica delle piante e dei batteri, quell’opzione, ovviamente ancora difficile da mettere in pratica, cominciò a sembrare qualcosa di potenzialmente raggiungibile in un futuro non troppo lontano. Nessuno ha espresso questa speranza più chiaramente di Norman Borlaug, un agronomo statunitense insignito del premio Nobel per la Pace nel 1970 per aver guidato lo sviluppo di varietà di colture nuove ad alto rendimento con l’ausilio di massicce applicazioni di azoto.
Alla fine del discorso del Nobel, Borlaug, con un pizzico di ottimismo fantascientifico, disse di aver sognato che verdi e robusti campi di grano, riso, granoturco, sorgo e miglio ad alta resa ottenevano, senza la minima spesa, cento chili di azoto per ettaro da batteri fissatori dell’azoto attivi nei noduli.
Simili ceppi mutanti di Rhizobium cerealis erano stati sviluppati nel 1990 da un programma di selezione per mutazione su vasta scala con ceppi di Rhizobium ottenuti da radici di legumi e altre piante che formano noduli. Questa scoperta scientifica aveva rivoluzionato la produzione agricola per centinaia di milioni di umili agricoltori in tutto il mondo, che ora ricevevano molto del fertilizzante necessario per le loro colture direttamente da piccoli microbi miracolosi che estraevano l’azoto dall’aria e lo fissavano a costo zero nelle radici dei cereali, dove veniva poi trasformato in grano.
I benefici di una simile simbiosi sarebbero evidenti. La coltivazione cerealicola diventerebbe più vantaggiosa, grazie alla minore necessità di acquistare e applicare fertilizzanti all’azoto sintetici. I benefici ambientali della biofissazione andrebbero da una grande riduzione della volatilizzazione e della lisciviazione dei fertilizzanti applicati (e quindi un calo dell’inquinamento delle acque e delle piogge acide) a una riduzione delle emissioni di gas serra e un miglioramento di terreni (meno compattazione, più materiale organico, un più elevato contenuto di azoto). La ricerca volta a estendere ai cereali un tipo di fissazione dell’azoto simile a quella dei legumi prese avvio seriamente negli anni settanta e da allora è sempre stata perseguita in maniera più o meno intensa.
Vi sono tre diverse strategie per introdurre la fissazione dell’azoto nei cereali. Il primo approccio, che è anche il più ovvio, emerse più di un secolo fa con la scoperta della biofissazione nodulare simbiotica: replicare il sistema tipico dei legumi, trovare il modo di far entrare i rizobi e i cereali nella stessa interazione proficua che esiste tra i rizobi e i legumi, indurre nelle colture cerealicole lo sviluppo di noduli in grado di provvedere quasi per intero al loro fabbisogno di azoto.
Alcuni scienziati ritengono che l’approccio migliore per cominciare stia nel reintrodurre la fissazione dell’azoto in specie che non formano noduli e non sono adatte alla coltivazione, specie che hanno un legame evolutivo più forte con le piante che sviluppano noduli.
E l’evoluzione (il processo di diversificazione delle specie vegetali superiori durato oltre cento milioni di anni) ha dotato solo la famiglia delle leguminose, tra tutte le specie importanti dal punto di vista nutritivo, della capacità di fissazione dell’azoto simbiotica guidata dal Rhizobium.
A rendere ancora più eccezionale quest’assenza di rizobi simbiotici al di fuori della famiglia dei legumi (l’unica altra importante simbiosi di questo tipo, quella dei batteri filamentosi del genere Frankia, riguarda circa duecento specie vegetali non a uso alimentare) è il fatto che l’azoto è il più comune dei fattori in grado di limitare la crescita di tutte le specie vegetali, eppure l’evoluzione ha fornito solo a pochissime di queste specie i mezzi per allentare tale vincolo.
Al di là di questo rompicapo, vi sono altre questioni pratiche da considerare. Sappiamo che i legumi destinano il 10-20 per cento della loro produzione di energia (carbonio) ai noduli, ma a causa della maggiore capacità fotosintetica data dalle più elevate scorte di azoto, questo costo relativamente alto in termini di energia non si traduce in una resa proporzionalmente minore.
Ciò, tuttavia, potrebbe non avvenire nel caso dei cereali che venissero dotati di una capacità di fissazione simbiotica. Il che, a sua volta, significa che i cereali fissatori dell’azoto potrebbero non essere prontamente accolti dalle nazioni popolose e regioni densamente popolate dell’Asia in cui occorrono rese altissime.
La seconda opzione per arrivare alla fissazione dell’azoto nelle colture non leguminose sta nel potenziare le attività dei batteri che potrebbero essere presenti nella zona radicale delle piante di cereali.
Quest’opzione divenne possibile con la scoperta di batteri associati alle graminacee tropicali. Vi sono molti batteri fissatori dell’azoto che non vivono in simbiosi con le piante, tra cui, tipicamente, le specie Pseudomonas e Azospirillum nel suolo e i cianobatteri (Nostoc, Anabaena e tanti altri) nell’acqua, che prosperano senza entrare in contatto con le radici o con altri organi della pianta e in genere forniscono alle colture solo una piccola quantità di azoto.
Tuttavia, alla fine degli anni sessanta del secolo scorso la microbiologa brasiliana Johanna Döbereiner guidò un gruppo di ricerca che scoprì come diversi batteri (generi Acetobacter, Azospirillum ed Herbaspirillum) si associassero alle radici di alcune graminacee tropicali (fig. 4.6). Questi nitrobatteri non vivono in noduli radicali organizzati visibili che interagiscono simbioticamente con la pianta ospite, ma sono sparpagliati tutt’intorno alle radici delle piante, assorbendone gli essudati e indirettamente trasferendovi una parte dell’azoto da loro fissato.
In seguito si scoprì che la fissazione dell’azoto di tipo associativo prodotta dall’Azospirillum, che vive nella zona radicale dei cereali, può contribuire in misura non trascurabile a soddisfare il fabbisogno complessivo di azoto del riso e del granoturco.
Queste scoperte aprirono alla possibilità di aumentare la presenza dei batteri associativi che vivono in prossimità delle radici dei cereali, ma per raggiungere efficacemente questo obiettivo occorrerebbe arrivare a una migliore comprensione delle condizioni che promuovono queste associazioni, e dell’assorbimento massimo che ci si può realisticamente aspettare sulla base delle basse concentrazioni di azoto fissato dai nitrobatteri associati: anche se si riuscisse nell’impresa, il suo contributo sarebbe molto marginale.
Una prospettiva più rosea emerse con la scoperta, nel 1988, dei nitrobatteri endofitici (che vivono cioè all’interno dei tessuti delle piante) Gluconacetobacter diazotrophicus nello zucchero di canna brasiliano da parte di Johanna Döbereiner e Vladimir Cavalcante. Ricerche successive fecero emergere anche un coinvolgimento dei batteri Herbaspirillum, Azoarcus e Azospirillum. Di conseguenza, è ancora difficile comprendere quale sia il contributo specifico dei batteri endofitici e non endofitici.
La terza strada, la più radicale e ambiziosa, sta nel codificare la ricettività alla simbiosi come tratto vegetale permanente, cioè progettare nuove colture che possano arrivare alla fissazione dell’azoto senza microbi grazie all’introduzione di geni nif azotofissatori direttamente nelle piante di cereali. Questa via è ostacolata da due limitazioni naturali: la complessità del nitrogenasi, l’enzima che funge da catalizzatore, cruciale per convertire l’azoto atmosferico inerte in ammoniaca (che richiede anche un apporto di ferro e del più raro molibdeno) e la sensibilità dell’enzima alla presenza dell’ossigeno.
