El cicle del nitrogen en els cultius de llenties davant augments de calor i de diòxid de carboni atmosfèric (Agronomia mediterrània, 38/2019)

En parlar d’emergència climàtica, hom posa èmfasi en l’escalfament global, és a dir en l’elevació del règim general de temperatures. El principal factor motriu d’aquest escalfament és la intensificació de l’efecte hivernacle associat al CO2 atmosfèric, ja que la concentració d’aquest gas experimenta una pujada al seu torn associada l’ús antròpic de combustibles fòssils. La cadena d’elements que participa en aquest procés és més complexa, com també ho són els seus efectes. Per exemple, el CO2 atmosfèric és la font de carboni emprada en la fotosíntesi de les plantes terrestres, tant silvestre com cultivades. Un augment de CO2 atmosfèric comporta, de fet, un efecte estimulador sobre la fotosíntesi, i de retruc sobre la producció vegetal. Hom parla de l’efecte fertilitzador del CO2 atmosfèric, comprovat en cultius i en ecosistemes naturals. Ara bé, un augment de la temperatura afecta negativament el rendiment de nombrosos cultius, particularment en regions tropicals i subtropicals. En el modelatge dels climes del futur, aquest augment de les temperatures mitjanes elimina l’efecte estimulador de l’augment de CO2 atmosfèric. D’altra banda, aquests modelatges també preveuen, per a la zona mediterrània, un augment de la freqüència i severitat de les onades de calor, que afectarien també a la productivitat de nombrosos cultius. Fins i tot si suposem que l’efecte estimulador del CO2 supera aquests efectes, cal dir que les plantes que l’experimenten solen modificar la seva composició nutricional, de forma que la ratio N:C (quantitat de nitrogen respecte de quantitat de carboni) augmenta, cosa que va en detriment del valor nutricional. És a aquesta cruïlla a la que ha dedicat la seva tesi doctoral Shahnaj Parvin a la Universitat de Melbourne. En les instal·lacions AGFACE de Horsham (Victoria) ha estudiat l’efecte d’elevades concentracions de CO2 sobre els mecanismes bioquímics i fisiològics de la fixació de nitrogen en la llentia (Lens culinaris, Medik.). Una part d’aquests treballs apareixen ara en un article a la revista Plant Biology. En aquest article, Parvin et al. assenyalen que en una atmosfera de 550 ppm de CO2, hi ha una estimulació de la fixació de N2, amb un augment dels nòduls de les arrels (on viuen els bacteris simbionts que fixen el N2) i de les concentracions carbohidrats hidrosolubles. Aquesta estimulació de la fixació i de la mobilització de nitrogen ajuda a la recuperació de les plantes després d’una onada de calor.

Cultiu de llenties, 75 dies després de la primera emergència, en una fotografia de Victor M. Vicente Selvas del 14 de maig del 2011.

L’efecte estimulador de concentracions elevades de CO2 sobre la producció vegetal

Shahnaj Parvin es graduà en ciències de l’agricultura per la Universitat Agrícola de Bangladesh, a Mymensingh, l’any 2009, i obtingué un mestratge en agronomia el 2010. En el 2011 assumí una posició de professora ajudant al Departament d’Agronomia, i realitzà, amb finançament del Ministeri d’Agricultura, recerca sobre el creixement, rendiment i ús d’aigua de cultius de mongeta mung (Vigna radiata L.) sota diferents règims de regadiu. En 2014, realitzà un segon mestratge a la Georg-August Universität, de Göttingen, sota la supervisió de Yakov Kuzyakov, en el decurs de la qual investigà la dinàmica d’activitats microbianes i enzimàtiques d’ecosistemes de torberes boreals. Sense perdre la vinculació amb el Departament d’Agronomia de Mymensingh, realizà el doctorat a la School of Ecosystem and Forest Sciences, de la University of Melbourne, amb una recerca sobre els canvis bioquímics i fisiològics de la fixació de nitrogen en la llentia (Lens culinaris Medik.) associats a concentracions elevades de CO2. Des de juny del 2019, és investigadora postdoctoral en agronomia i ciències del sòl a la Southern Cross Plant Science, de Lismore (Nova Gal·les del Sud), incorporada a un projecte dedicat a explorar l’ús de tècniques de modificació de la rizosfera per millorar el rendiment dels sòls.

En la recerca sobre l’efecte estimulador del CO2 en cultius de llenties tingué un rol especial la instal·lació d’AGFACE (Australian Grains Free Air CO2 Enrichment), localitzada a Horsham (Victoria). La tècnica FACE, utilitzada en altres instal·lacions, consisteix en fer un enriquiment localitzat de CO2 en cultius, pastures o boscos. A Horsham ho fan en cultius de secà típics de la regió de clima mediterrani del continent australià.

En aquesta investigació també participà un altre membre del Departament d’Agronomia de Mymensingh, Shihab Uddin, que a la vegada també és membre del NSW Department of Primary Industries del Wagga Wagga Agricultural Institute i de la Faculty of Veterinary and Agricultural Sciences de la University of Melbourne.

A més, també s’involucraren Maryse Bourgault, professora del Northern Agricultural Research Centre, de la Montana State University, així com investigadors de la Agriculture Victoria Research (Audrey Delahunty, James Nuttall, Jason Brand, Garry O’Leary, Glenn J. Fitzgerald i Roger Armstrong) i Michael Tausz.

Parvin et al. volien conèixer com la combinació entre uns nivells atmosfèrics elevats de CO2 i onades de calor afectaven la fixació de nitrogen atmosfèric per part d’un cultiu de llenties, així com el metabolisme nitrogenat general de la planta. Si les llenties tenen un paper molt important en les cuines del sud d’Àsia, tampoc no es pot menysprear la importància que ha adquirit aquest cultiu en les zones de secà de l’Austràlia més mediterrània des dels anys 1990, particularment com a plantació d’hivern. Però per a Parvin et al., la llentia s’utilitza com a model general de cultiu de lleguminoses. Com la majoria de lleguminoses, les llenties presenten nòduls a les arrels, on s’hi contenen rizobis, uns bacteris simbiòtics, que tenen la capacitat de fixar nitrogen atmosfèric. Això singularitza les lleguminoses, en el sentit que no depenen exclusivament dels nitrats i nitrits del sòl per a les seves necessitats de nitrogen. Alhora, fa que un cultiu de lleguminosa tingui la capacitat de restaurar els nivells de nitrogen del sòl després d’altres cultius, i d’ací la seva inclusió en rotacions de cultius.

Un esquema del cicle del nitrogen

El disseny experimental

Parvin et al. empren dues variants de llenties. Les cultiven en les instal·lacions d’AGFACE, sota dues condicions diferents de CO2 atmosfèric, una amb concentracions semblants a les actuals (400 µmol·mol-1) i una altra que plausiblement podria ésser típica de les darreres dècades del segle XXI (550 µmol·mol-1). En alguns casos les plantes eren exposades quan ja apareixien les primeres beines planes a “onades de calor”, és a dir a temperatures locals de vora 40°C durant tres dies seguits.

A diferents temps, des de l’onada de calor artificial, fins a la plena maduresa (quan 90% de les beines de la planta ja tenen un color daurat o bru), s’hi prenien mostres dels diferents cultius per valorar el nivell de nodulació de les arrels, les concentracions de carbohidrats hidrosolubles, les concentracions totals d’aminoàcids lliures, i els nivells de fixació de nitrogen general i de nitrogen atmosfèric (N2).

Augment de CO2 i onades de calor: efectes contraposats sobre la fixació de nitrogen en els nòduls radicals de les llenties

Les plantes de llenties exposades a 550 ppm de CO2 atmosfèric presentaven uns nivells superiors de fixació de N2 en comparació a les exposades a atmosferes actuals de 400 ppm. Aquests nivells superiors de fixació de nitrogen atmosfèric s’expliquen per un augment del nombre de nòduls actius en les arrels que, de retruc, condueixen a uns valors més elevats de carbohidrats solubles en les plantes. En la relació simbiòtica, entre la lleguminosa i el rizobi, si la primera rep els aminoàcids lliures generats pel segon, el segon rep els carbohidrats solubles (fonamentalment, sacarosa) de la saba elaborada de la primera.

Pel que fa a les plantes crescudes a 400 ppm de CO2, l’exposició a una onada de calor produeix una disminució en el nombre de nòduls actius de les arrels. També cau, com a conseqüència de l’onada de calor, les concentracions de carbohidrats solubles.

En les plantes crescudes a 550 ppm de CO2, els efectes de l’onada de calor són mitigats en part. Així doncs, en aquestes plantes es produeix abans la remobilització de nitrogen foliar, i s’assoleix un augment de la concentració de nitrogen en els grans.

Val a dir, que dels dos genotips estudiats, no responen igual a la combinació de CO2 i d’onada de calor, particularment pel que fa a la fixació de N2 i al rendiment de nitrogen del gra.

En tot cas, Parvin et al. observen que l’estimulació de CO2 té un efecte favorable sobre la recuperació posterior a una onada de calor, mitjançada per una estimulació de la fixació de N2 i manifestada en uns majors nivells de carbohidrats hidrosolubles. Fins a quin punt aquesta compensació funcionaria per a altres cultius o, fins i tot per a llenties, en climes extramediterranis, és qüestió pendent per a d’altres recerques.

En l’adaptació als climes del futur la microbiota de la rizosfera pot tindre un paper cabdal en nombrosos cultius. És significatiu que agrocompanyies com NSW DPI, Riverine Plains Inc. i Central West Farming Systems facin importants inversions en la recerca de camp sobre la regulació de les comunitats microbianes de la rizosfera a través d’exudats de les arrels i de rizodeposicions.

Lligams:

Effect of heat wave on N2 fixation and N remobilization of lentil (Lens culinaris MEDIK) grown under Free Air CO2-Enrichment in a Mediterranean-type environment. Shahnaj Parvin, Shihab Uddin, Maryse Bourgault, Audrey Delahunty, James Nuttall, Jason Brand, Garry O’Leary, Glenn J Fitzgerald, Roger Armstrong, Michael Tausz. Plant Biology 10.1111/plb.13047 (2019).

Arxivat a Ciència i Tecnologia
%d bloggers like this: