Le gocce di pioggia diffondono i patogeni delle piante? (VIDEO)

Gli schizzi a mezzaluna e il distacco inerziale. Il futuro è nella policoltura?

[6 febbraio 2015]

Gli agricoltori avevano già da tempo notato una correlazione tra i temporali ed focolai di malattie nelle piante: le ruggini fungine sembrano avere un boom della loro crescita dopo le piogge, con pesanti impatti sui rendimenti agricoli. Ma, mentre i dati meteorologici suggeriscono che le precipitazioni possono disperdere la ruggine e altri agenti patogeni in una popolazione di piante, fino ad ora nessuno aveva studiato il meccanismo che causa questo fenomeno.

Nello studio “Fluid fragmentation shapes rain-induced foliar disease transmission”, pubblicato sul  Journal of Royal Society Interface, Tristan Gilet,  dell’università di Liegim  e Lydia Bourouiba, del Massachusetts Institute of Technology, presentano le immagini ad alta velocità di gocce di pioggia e dei loro spruzzi su diverse foglie ricoperte di liquido contaminato. Come si vede in alta risoluzione, le gocce possono agire come un agente disperdente, in alcuni casi catapultando goccioline contaminate a distanza e su tante foglie.

I ricercatori hanno analizzato i modelli dispersione ed hanno che il livello di diffusione dalle proprietà meccaniche di una pianta, in particolare dalla sua conformazione o dalla flessibilità.

La Bourouiba spiega su MIT News che «La comprensione del rapporto tra le proprietà meccaniche di una pianta e la diffusione della malattia può aiutare gli agricoltori a piantare nei campi piante più resistenti alle malattie. Siamo in grado di cominciare a pensare a come reinventare elegantemente la policoltura, dove si alternano specie di piante con caratteristiche meccaniche diversificate nelle varie fasi della loro crescita. La policoltura è un vecchio concetto, se si guardano le culture indigene, ma questo è un modo per dimostrare scientificamente che alternando piante in un campo, è possibile ridurre meccanicamente e naturalmente la gamma di trasmissione di un patogeno durante la pioggia».

La Bourouiba e Gilet sono partiti da una convinzione comune: che patogeni siano in un film sottile intorno alle foglie. Poi hanno fatto esperimenti con decine di tipi di fogliame comuni, come edera, bambù, menta piperita e foglie di banano. Hanno eseguita centinaia di esperimenti su  30 tipi di foglie naturali e su 12 materiali ingegnerizzati artificialmente. Negli studi iniziali, i ricercatori hanno simulato le precipitazioni di acqua con un contenitore con piccoli fori sospeso in aria a diversi metri, abbastanza in alto perché le gocce raggiungessero la velocità terminale, quella effettiva di una goccia al momento dell’impatto.

Poi hanno filmato le  gocce di pioggia che colpivano ogni tipo di fogli utilizzando videografia ad alta velocità a 1.000 fotogrammi al secondo. E’ così che hanno visto che quando l’acqua cadeva le foglie non erano in grado di sostenere il film sottile, che invece formava gocce sulla loro superficie. Il team ha concluso che «Gli agenti patogeni, a loro volta, devono riposare come gocce – non come pellicola – sulla superficie di una foglia».

La  Bourouiba sottolinea: «Questa può sembrare inizialmente come una piccola differenza, ma quando si guarda la  fluidodinamica della frammentazione e la conseguente serie della contaminazione attorno a una foglia infetta, in realtà cambia molto le dinamiche in termini di meccanismo attraverso il quale vengono emessi gli agenti patogeni»,

Per capire queste differenze dinamiche i due scienziati hanno prima simulato pioggia su una superficie piatta rivestita con una pellicola sottile. Quando una goccia colpiva questa superficie emetteva un alone di spray che conteneva la sostanza nel film che si andava a depositare nelle vicinanze. Al contrario, il team ha scoperto che le gocce di pioggia che colpivano le foglie coperte di goccioline, invece che un film, lanciano  queste gocce in lungo e in largo.

Per esaminare in dettaglio l’effetto delle gocce di pioggia sulle gocce sulla superficie delle foglie, i ricercatori hanno fatto ulteriori esperimenti mettendo sulle piante acqua colorata, quindi hanno simulato l’effetto di una singola goccia di pioggia utilizzando laser per calibrare delicatamente dove una goccia sarebbe caduta su una foglia.

Bourouiba e Gilet dicono che da questi esperimenti sono emersi due modelli principali di dispersione: «Una configurazione a mezzaluna, in cui una goccia di pioggia si appiattisce all’impatto, scorre sotto la goccia tinti e la lancia in un arco, simile alla forma di una mezzaluna; e il distacco inerziale, in cui una goccia di pioggia non tocca mai effettivamente tocca una gocciolina tinta, ma spinge la foglia basso, portando la gocciolina tinta a scivolare verso il basso, quindi la catapulta fuori, come conseguenza dell’inerzia del rimbalzo della foglia indietro.

Dopo aver filmato centinaia di impatti di gocce di pioggia sui diversi tipi di foglie, Bourouiba e Gilet si sono resi conto che se una goccia assume una configurazione a mezzaluna o a distacco inerziale dipende principalmente una proprietà: la flessibilità della foglia. Hanno scoperto che, in generale, il “floppier” meno efficace di una foglia produce una mezzaluna di fluido, ma ad una certa flessibilità, il modello mezzaluna si trasforma nel distacco inerziale,  nel quale il fluido, sotto forma di gocce più grandi di quelle della mezzaluna può produrre, viene scagliato lontano dalla foglia.

Da queste osservazioni, i ricercatori hanno sviluppato un modello teorico quantitativo del rapporto tra la flessibilità di una foglia, la frammentazione del fluido ed il suo conseguente modello raindrop-induced dispersal.  La Bourouiba spiega ancora su MIT News: «Questi modelli può eventualmente aiutare gli agricoltori a progettare l’alternanza delle colture nei campi. Mentre la pratica di policoltura ha tradizionalmente fatto affidamento sulla riduzione della diffusione di malattie, alternando piante con diverse  resistenze ai patogeni, le intrinseche proprietà meccaniche – immunologia non biologica – delle piante possono contribuire a contenere la diffusione della malattia. Se questo venisse fatto in modo ottimale, idealmente si potrebbe tagliare completamente la diffusione ad una sola pianta vicina, e sarebbe morta lì. Una pianta potrebbe svolgere il ruolo di scudo, restando  contaminata, ma le sue proprietà meccaniche non sarebbero in grado di proiettare il patogeno nella pianta successiva. Così si potrebbe iniziare a ridurre l’efficacia della diffusione in una specie, pur utilizzando in modo efficace lo spazio agricolo».

Don Aylor, uno grande esperto di patologia ed ecologia vegetale della Connecticut Agricultural Experiment Station, ha detto ha MIT News che «I risultati della Bourouiba possono essere particolarmente utili nel tamponare le patologie nelle piccole popolazioni di piante.  Questo potrebbe aiutare a impostare le distanze di separazione per le colture di piccole piante, come ad esempio le fragole, che di solito vengono piantate vicine. Il contadino dovrebbe avrebbe anche prendere in considerazione l’effetto di schizzi sul pacciame in  plastica spesso usato in tali colture. In sintesi, questo è un bello studio e introduce alcuni risultati che vale certamente la pena di seguire».

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