Workshop Capracotta (IS) - 6-7 giugno 2012 Biologia degli stress in Salicaceae: modelli di ricerca propedeutici a piantagioni multifunzionali Impiego di genotipi di salicacee per interventi di fitorimedio Pier Mario Chiarabaglio Nervo G., Facciotto G., Vietto L., Castro, G., Mughini G. CRA - Unità di ricerca per le Produzioni Legnose fuori Foresta (CRA-PLF) Unità di ricerca per le produzioni legnose fuori foresta Premessa Finalità del CRA-PLF: … Sviluppa nuovi impieghi delle colture legnose a rapido accrescimento per la protezione delle acque di superficie dall’inquinamento, per la rinaturalizzazione e per la decontaminazione di aree inquinate da emissioni industriali (fitodepurazione e fitorisanamento) … Unità di ricerca per le produzioni legnose fuori foresta Archivi vegetali presso l’az. Mezzi P. nigra 718 Salix spp. 590 altro 112 P. deltoides 433 P. xcanadensis 202 P. alba 229 Unità di ricerca per le produzioni legnose fuori foresta Esperienze Tipologia Fascia tampone boscate Micorrizazione Impiego acque reflue Salinità Fitorimedio Stress idrico artificiale Strumenti disponibili esperienze in corso superficie totale [ha] 20 (2) 1 (1) 1 (1) 1 (1) 4 (4) 150 1 1 1 3 Unità di ricerca per le produzioni legnose fuori foresta Fascia tampone Località Frassineto Po AL Palazzolo vercellese VC anno di Densità specie (cloni) Superficie impianto impianto 1996 20052008 Populus nigra, Populus alba, Salix alba Populus nigra, Populus alba 1100 285 Obiettivo 2,5 ha riduzione carichi N in presenza di coltivazioni intensive mais 15 ha riduzione carichi N in presenza di coltivazioni intensive riso Unità di ricerca per le produzioni legnose fuori foresta Fascia tampone a Frassineto Po N-NH4+ > 0,50 mg/l N-NO3- > 1,87 mg/l Lanca di Rivarossa Unità di ricerca per le produzioni legnose fuori foresta Fascia tampone a Palazzolo vercellese PO43– P > N-NH4+ > N-NO3- > P. nigra Gene Conservation Unit P. alba seed stand Buffer forest against flooding Mesophilous forest 1,14 mg/l 0,80 mg/l 0,83 mg/l Unità di ricerca per le produzioni legnose fuori foresta Piante micorrizate Località Caramagna Piemonte CN az. Merlino anno di Densità specie (cloni) Superficie impianto impianto 2009 P. alba (60 genotipi) 1600 1,3 ha Obiettivo valutare effetti micorrizazione su resistenza allo stress idrico Unità di ricerca per le produzioni legnose fuori foresta Pioppi bianchi micorrizati Micorrizazione con una combinazione di microrganismi del genere Glomus, di batteri appartenenti ai generi Pseudomonas e Bacillus, di Attinomiceti del genere Streptomyces e di funghi saprofiti del genere Trichoderma mediante inzaffardatura delle radici. P . a lba mi corri zate; LS Means Current effect: F(1, 224)=76.270, p=.00000 75 70 65 60 55 Media circonferenza Unità di ricerca per le produzioni legnose fuori foresta Pioppi bianchi micorrizati 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 si no mi corri zate Unità di ricerca per le produzioni legnose fuori foresta Impiego acque reflue Località Mussomeli CL anno di impianto specie 2008 Populus spp., Robinia pseudacacia, Eucalyptus camaldulensis E. globulus, Acacia saligna Densità Superficie impianto 6600 0,5 ha Obiettivo valutare potenzialità terreni sud per produzione biomassa irrigazione a goccia con acque reflue dopo depuratore Unità di ricerca per le produzioni legnose fuori foresta Impianto di pioppi a Mussomeli Media del n. di polloni per ceppaia (Sn), diametro mm (D130), altezza totale cm (Ht), biomassa Odt ha-1 (DB) per specie al 2° anno e per anno (DBy) specie Sn D130 Ht DB DBy A. saligna 2.5 30 321 24.8 12.4 E. camaldulensis 1.7 30 298 10.6 5.3 E. globulus 1.1 31 331 7.8 3.9 Pioppi 1.4 22 272 5.8 2.9 Robinia 1.6 17 227 2.9 1.4 Unità di ricerca per le produzioni legnose fuori foresta Salinità Località Lentini SR Az. San Giovanni Arcimusa anno di impianto 2012 specie P. xcanadensis (10 cloni) Densità Superficie impianto 1100 0,5 ha Obiettivo Valutare stress per irrigazione con acqua con tenore di sale elevato Unità di ricerca per le produzioni legnose fuori foresta Impianto di pioppi a Lentini Acqua con SAR = 4,5 Unità di ricerca per le produzioni legnose fuori foresta Fitorimedio Località Rocca Massima LT Scarlino GR Scarlino GR Alessandria anno di impianto specie 2004 Populus nigra var. italica 2006 Populus spp. (5 cloni), Salix spp. (5 cloni), Eucalyptus spp. (16 cloni) 2010 P. xcanadensis (2 cloni Orion, Imola) 2012 P. xcanadensis (35 cloni) Salix spp. (10 cloni) Densità Superficie impianto 1300 - 1100 9000 Obiettivo 0,12 ha Valutare capacità fitorimedio pioppo su reflui oleari Vaso Valutare capacità fitoestrattiva delle foglie per Arsenico 0,2 ha Verificare capacità estrattiva suolo prova in corso 0,02 ha Verificare capacità estrattiva suolo prova in corso Unità di ricerca per le produzioni legnose fuori foresta Fitorimedio a Rocca Massima Variazioni di alcune caratteristiche chimico-fisiche delle acque di vegetazione raccolte al secondo anno nell'impianto di fitodepurazione dic-05 mar-06 lug-06 pH 4.7 6.7 7.6 Conduttività (mS/cm) 10 7.7 3.7 COD (mg/l) 37700 14600 550 BOD5 (mg/l O2) 10800 3400 270 Fenoli totali (mg/g) 249 147 5 Produzione di sostanza secca t ha-1 18 16.7 16 biomassa prodotta Unità di ricerca per le produzioni legnose fuori foresta Fitorimedio a Rocca Massima 14 12 10 8 5.2 6 4 2.8 2 0 0 1 Anno dall'impianto 2 Unità di ricerca per le produzioni legnose fuori foresta Fitorimedio a Scarlino – in vaso 1 anno di accrescimento in vaso Valutazione assorbimento Arsenico pioppi salici eucalitti Unità di ricerca per le produzioni legnose fuori foresta Fitorimedio a Scarlino – in campo Substrato con presenza di Arsenico, altri metalli pesanti, ceneri di pirite Impianto di 2 cloni Orion e Imola nel 2010 – prova in corso Unità di ricerca per le produzioni legnose fuori foresta Fitorimedio a Scarlino – in campo Nel 2011 sostituzione fallanze Unità di ricerca per le produzioni legnose fuori foresta Fitorimedio Alessandria Substrato con presenza di metalli pesanti Impianto nel 2012 di P. xcanadensis (35 cloni) Salix spp. (10 cloni) – prova in corso Stress artificiale Idrocambio Unità di ricerca per le produzioni legnose fuori foresta Idrocambio Stress idrico sull’accrescimento dendrometro Sensore umidità suolo Variazioni radiali del fusto da marzo a novembre 19,5 17,5 15,5 13,5 stress I214 stress dvina control I214 control dvina 11,5 9,5 7,5 5,5 3,5 1,5 -0,5 29 /3 6/ 4 14 /4 25 /4 7/ 5 19 /5 30 /5 11 /6 23 /6 5/ 7 16 /7 28 /7 9/ 8 21 /8 1/ 9 13 /9 25 /9 8/ 1 19 0 /1 31 0 /1 12 0 /1 1 Cumulative radial growth (mm) Unità di ricerca per le produzioni legnose fuori foresta Stress idrico sull’accrescimento Time Unità di ricerca per le produzioni legnose fuori foresta Populus nigra L. come caso di studio per la valutazione degli effetti dei cambiamenti climatici Azienda Sperimentale Mezzi Areale di diffusione di Populus nigra campo sperimentale Obiettivi: valutare l’influenza di condizioni di deficit o di surplus idrico su 9 cloni di pioppo nero provenienti da diverse latitudini del suo areale di distribuzione per evidenziare l’adattamento della specie a variazioni climatiche simulate attraverso regimi idrici differenti. Unità di ricerca per le produzioni legnose fuori foresta Regimi idrici 3 regimi idrici: Ambient: soggetto a precipitazioni naturali Dry: protetto dalle precipitazioni e irrigato artificialmente con 1/3 delle precipitazioni Wet: soggetto alle precipitazioni e irrigato artificialmente con 2/3 in più delle precipitazioni Unità di ricerca per le produzioni legnose fuori foresta Parcelle “dry” Unità di ricerca per le produzioni legnose fuori foresta Attività svolta in campo … • • • • • Caratterizzazione stazionale Rilevamento dati meteo in continuo Monitoraggio in continuo dell’umidità del suolo Monitoraggio in continuo della crescita radiale Rilevamento dati biometrici e fisiologici (temperatura fogliare, potenziale idrico fogliare, contenuto in clorofilla, fluorescenza fogliare, malattie, misurazioni radiometriche sulle foglie) Unità di ricerca per le produzioni legnose fuori foresta … e nei cassoni 1. Sono stati realizzati 2 cicli di stress idrico 2. SWC è sceso a 10 % mentre capacità di campo al 36 % 3. PWP (predawn leaf water potential), RWC (Relative Water content) misurati al punto 0, alla fine del primo periodo di stress, dopo un periodo di reidratazione e alla fine del secondo periodo di stress 4. Alla fine di ogni periodo di stress è stato misurato potenziale osmotico a turgore massimo e l’elasticità della parete cellulare. I 3 regimi idrici hanno permesso di differenziare il SWC ma non in modo così elevato Data*Treatment; Avg MQ 40 Wet Ambient Dry 35 Soil Water Content (%) Unità di ricerca per le produzioni legnose fuori foresta Risultati 30 25 20 15 10 5 0 Lug-06 Ago-06 Set-06 Giu-07 month Lug-07 Set-07 Solo il regime Dry ha ridotto l’accrescimento in modo significativo mentre quello Ambient e Wet non hanno prodotto differenze … Year*Treatment; Avg MQ F(4, 363)=4,0497, p=,00317 Vertical bars denote 0,95 confidence intervals 9 8 7 Ambient Wet Dry a a 6 3 Volume (dm ) Unità di ricerca per le produzioni legnose fuori foresta Risultati b 5 c c 4 3 c 2 1 d d d 0 2005 2006 year 2007 … i genotipi meridionali sono cresciuti meno di tutti gli altri mentre quelli centrali (autoctoni!) sono quelli che sono cresciuti di più in modo significativo year*genotype; Medi e MQ Eff. corrente: F(4, 363)=21,530, p=,00000 Le barre verti cali i ndi cano i ntervalli di confi denza al 0,95 10 9 8 genotype Mi ddle genotype Northern genotype Southern a 7 Vol [dm3] Unità di ricerca per le produzioni legnose fuori foresta Risultati b 6 5 c 4 d 3 e 2 1 0 cd f f 2005 f 2006 year 2007 Il Predawn Water Potential (PWP) è il parametro fisiologico che ci ha permesso di individuare il 7 % di SWC come valore soglia per un calo significativo del PWP: Soil Water Content; Least Squares Means sotto questo F(15, 476)=64,477, p=0,000 Point denote standard error 0,95 valore (con PWP 0,0 compreso tra -0,1 -0,4 e -0,8 Mpa) -0,2 il pioppo comincia -0,3 PWP = -0,7504+0,4319*log10(x) a perdere le -0,4 foglie come -0,5 reazione di -0,6 difesa allo stress -0,7 Predawn Water Potential (MPa) Unità di ricerca per le produzioni legnose fuori foresta Risultati -0,8 St. Error +0,95 % PWP St. Error -0,95 % -0,9 -1,0 0 5 10 15 20 25 Soil Water Content (%) 30 35 40 Tra gli indici radiometrici calcolati il Red Edge Position mette in evidenza lo stress indotto dal regime idrico Dry. Lo stesso indice è anche in correlazione (r=0,74) con l’indice CCI Treatment; Least Square Means F(2, 225)=10,630, p=,00004 (Chlorophyll Verti cal bars denote 0,95 confi dence i ntervals Content Index) 713 Nessun indice 712 a radiometrico 711 a sembra 710 individuare una 709 condizione 708 b precoce di stress 707 Red Edge Position (REP) Unità di ricerca per le produzioni legnose fuori foresta Risultati 706 705 REP Ambi ent Maximum first derivative Dry Treatment Wet Il clone N894 (nord) non reagisce al deficit idrico Il clone N068 (centro) ha un debole aggiustamento osmotico passivo con perdita acqua dal simplasto Il clone N354 (sud) mostra un adattamento osmotico significativo N068 N354 N894 068 (Central) 354 (Souhtern) Dry Wet 1.0 (MPa) Differenza tra predawn e midday water potential 1.2 0.8 0.6 * 894 (Northern) * * 0.4 * 0.2 0.0 -0.2 0.8 A (MPa) Aggiustamento osmotico attivo 1.0 * 0.6 * * 0.4 * 0.2 0.0 -0.2 0.3 Aggiustamento osmotico passivo * P (MPa) Unità di ricerca per le produzioni legnose fuori foresta Risultati - cassoni * 0.2 0.1 0.0 O I max I rec Timing II max O I max I rec Timing II max O I max I rec Timing II max Unità di ricerca per le produzioni legnose fuori foresta Conclusioni I genotipi provenienti dal nord e dal centro dell’areale del pioppo nero sembrano adattarsi meno allo stress idrico rispetto a quelli del sud. I cambiamenti climatici in atto con periodi siccitosi estremi durante la stagione vegetativa potranno aumentare il rischio di estinzione per il pioppo nero. Unità di ricerca per le produzioni legnose fuori foresta Collaborazioni in corso • ENEA Saluggia (Prove di combustione, monitoraggio ambientale, …) • Università Piemonte Orientale (Analisi inquinanti) Unità di ricerca per le produzioni legnose fuori foresta Strumentazione CRA-PLF Dendrometri Fluorimetro Sensore umidità suolo Contenuto Clorofilla Camera a pressione Unità di ricerca per le produzioni legnose fuori foresta Strumentazione CRA-PLF Naso elettronico Centralina trasmissione dati autoalimentata e interrogabile via telefono Radiometro NIR Unità di ricerca per le produzioni legnose fuori foresta Strumentazione CRA-PLF Unità di ricerca per le produzioni legnose fuori foresta Strumentazione CRA-PLF Unità di ricerca per le produzioni legnose fuori foresta Piante trasformate Piante transgeniche (TRX450, TRX 550) e non trasformate (CTRL) dopo 6 settimane di allevamento in vitro su substrato contenente 120 µM di solfato di Cadmio Grazie dell’attenzione