Innovazione, sviluppo agricolo e ambiente

di Francesco Salamini

Nei paesi del sud del pianeta ancora si discute di sviluppo rurale mentre nelle società sviluppate le dinamiche sociali dei comprensori agricoli considerano prioritariamente l’equilibrio tra  intensificazione agricola e rispetto per l’ambiente. Questo perché la necessità di una sufficiente produzione di cibo si scontra con la constatazione che l’agricoltura ha effetti evidenti: quanto più terra è arata e tanto meno è disponibile per gli ecosistemi naturali. Il problema si aggrava se si considera che l’agricoltura deve farsi carico dei bisogni alimentari delle popolazioni umane in aumento, ma anche dei cambiamenti nelle diete che ancora tendono a un maggior uso di proteine e calorie animali e della produzioni di bioenergia.

Quando la discussione affronta temi come biodiversità e ambiente, fa riferimento a: i) una agricoltura wildlife-friendly e ii) ad evitare la messa in coltura di nuove terre, privilegiando l’intensificazione colturale. L’approccio wildlife-friendly è soggetto a perdite di produzione privilegiando la biodiversità nei terreni agrari. La seconda proposta è relativa a un’agricoltura sempre più intensiva che massimizza le rese dei 1,5 miliardi di ettari di terre coltivate, riducendo la necessità di arare nuovi suoli. Secondo i dati Fao, infatti, per produrre la stessa quantità globale di derrate alimentari, evitando il ricorso alla chimica, sarebbero necessari 4 miliardi di ettari di terreno agrario (5,9 miliardi nel 2025 se coltivati con metodi e protocolli di agricoltura non intensiva).

La sfida

Se le stime riferite al 2050 delle popolazioni mondiali sono corrette sarebbe necessario aumentare le produzioni  agricole del 70-100%. Questo disponendo di meno acqua d’irrigazione, meno energia e meno terra arata producendo il cibo necessario e riducendo i danni ambientali. Infatti, gli effetti dell’agricoltura intensiva del passato sono evidenti: perdita di suoli, uso sempre maggiore dell’irrigazione, deforestazione, acidificazione degli oceani e riduzione delle riserve di pesci, contaminazione ambientale di natura chimica, perdita di biodiversità, emissioni di gas serra. La sfida è difficile da sostenere perché  implica una radicale modifica dei sistemi agricoli oggi in atto.

Due fattori di disturbo generano preoccupazioni:

- nel mondo dal 2002 è in atto una ripresa della colonizzazione di terre vergini ora arate nella quantità di 10 milioni di ettari per anno. Queste terre sono più marginali di quelle già in uso ed ospitano particolari tipi di biodiversità;

- gli aumenti della produzione per unità di terreno sono decrescenti nel tempo. Gli aumenti segnalati per mais, riso, grano e soia sono appena superiori all’1% per anno, quando il 2.4% sarebbe necessario. Si sarebbe cioè raggiunto un “upper yield plateau” a causa di saturazione biofisica della capacità delle piante di produrre, dei cambiamenti climatici, del degrado dei suoli, di politiche di contenimento del mezzo chimico e dei bassi investimenti in ricerca.

La coscienza che qualcosa deve essere fatto non solo per sviluppare in questo secolo nuovi sistemi agricoli più adatti, ma anche per eliminare i dubbi sulla nostra capacità di farlo, considerando anche che l’allevamento animale necessita del 70% di tutte le terre agricole e

* La bibliografia relativa al contenuto della nota è presente nel testo della Conferenza presentata all’Adunanza Solenne di chiusura dell’Anno Accademico dell’Accademia Nazionale dei Lincei, 26 giugno 2014, Palazzo Corsini – Roma; in corso di publicazione sugli Atti dell'Accademia.

che, perciò, per raggiungere la sostenibilità dell’agricoltura e dei consumi è necessario riconsiderare le diete umane ed eventualmente modificarle.

Soluzioni: il ruolo della scienza

Secondo lo storico dell’agricoltura Antonio Saltini  le Scienze agrarie hanno avuto due ispirazioni diverse, quasi due anime: quella empirica e quella teorica. La prima protesa a ricalcare dall’esperienza pratica le regole per la conduzione delle colture e degli allevamenti, la seconda volta a dedurre da leggi definite i principi della scienza della coltivazione. L’approccio empirico ha finora dominato la pratica agricola e vanta grandi successi: esempi sono la rivoluzione verde e lo sviluppo ancora in atto della fitoiatria. I contributi dell’approccio meccanicistico sono, tra altri,i vaccini in medicina umana e veterinaria; le terapie di reidratazione; l’integrated post management; lo sviluppo di varietà di piante e di razze animali superiori; i sistemi di purificazione delle acque; la telefonia mobile nella vita rurale; il controllo biologico degli insetti.

Le agrotecniche 

I nuovi sistemi agrari dovrebbero essere ridiscussi alla luce della conoscenza disponibile per valutare con misure molecolari la biodiversità nei terreni agrari. Specialmente va considerato che la cura dei campi va integrata con la nozione che la pianta va resa interprete dell’ambiente al quale si deve adattare, riducendo così il bisogno di cure colturali. Il Consiglio Nazionale delle ricerche degli Stati Uniti sostiene che, se i sistemi agrari devono essere modificati, la ricerca deve esplorare tutte le loro proprietà alla luce delle dimensioni multiple della sostenibilità. Propone un approccio incrementale e un secondo definito trasformativo. I contenuti del primo approccio riguardano la diversificazione aziendale, le piante tappezzanti, le rotazioni, l’intercropping, i sistemi a ridotta aratura, la gestione dei reflui, i concimi organici e il letame, le composte e il sovescio, l’efficienza d’uso dell’acqua, il riuso delle acque, il management dei fertilizzanti, l’agricoltura di precisione, la lotta integrata agli insetti e il loro controllo biologico, nonché i mercati di nicchia e i costi dei nuovi sistemi, le politiche agricole ed i programmi sociali.

L’approccio trasformativo prevede l’integrazione tra aree disciplinari diverse e richiede l’intervento di politiche appropriate relative anche al mercato. Considera sinergie, efficienze, capacità di ripresa degli ecosistemi disturbati, le interazioni viste a livello biofisico, sociale, economico e politico, i sistemi organici a basso input, il pascolamento a rotazione, le nuove produzioni come il biofuel da cellulosa, la riduzione dei reflui dei campi, la gestione cooperativa delle acque e dei comprensori, l’esplorazione della complessità degli agro ecosistemi sviluppando rotazioni complesse, l’integrazione tra produzione animale e vegetale, e la flessibilità nel controllo di infestanti, insetti e malattie. Raccomanda di considerare, oltre all’agricoltura di precisione e ad altre forme di agricolture integrate, anche principi e pratiche dell’agricoltura biologica, specialmente nei suoi tentativi di capire e usare i processi biologici che riciclano la fertilità, migliorano il suolo, hanno riguardo per la componente viva attiva del sistema colturale e che conservano la biodiversità.

Il terreno agrario

E’ il principale fattore che determina la produttività dei campi. Ospita batteri, funghi, alghe, protozoi, nematodi ed anellidi. Questi organismi provvedono alla trasformazione del 97% della materia ed energia presenti nel sistema. La ricchezza di specie presenti (1,5 milioni quelle dei funghi) fa’ del suolo la riserva principale di biodiversità microbica da proteggere, se nel futuro dovrà rappresentare la fonte di nuove molecole terapeutiche.

Una agrotecnica da adottare su larga scala nel futuro è nota come zero tillage e si basa sull’abbandono dell’aratura come pratica agricola. In condizioni di zero tillage il rilascio dal terreno di anidride carbonica e di ossido di azoto e le perdite di suolo agrario sono decisamente ridotte. La tecnica, ovviamente, porta a un risparmio attorno al 50% del carburante agricolo.

Lotta agli insetti 

La difesa della colture dall’attacco degli insetti rappresenta un importante fattore a sostegno dell’aumento delle produzioni agrarie. La lotta agli insetti viene prevalentemente condotta ricorrendo ai pesticidi, molecole che possono essere dannose anche per l’uomo. Per questo la lotta integrata cerca di minimizzare i danni e rendere razionale il ricorso ai pesticidi. L’approccio prevede la diagnosi del problema, il monitoraggio delle epidemie, l’ottimizzazione temporale degli interventi e la definizione delle dosi, la selezione di molecole con un impatto ambientale minimo, il trasferimento di quantità massime di molecole al target minimizzando la contaminazione ambientale e dell’operatore, tendendo ad ottenere prodotti agrari con il minimo di residui.

Negli ultimi decenni lo sviluppo di insetticidi meno pericolosi per l’uomo e per l’ambiente si è avvalso di conoscenze avanzate di chimica, fisiologia, biochimica, struttura molecolare e funzione proteica, genetica e genomica. E’, tuttavia, evidente che la lotta agli insetti deve necessariamente esplorare altri approcci e avere come obiettivo primario la cosciente priorità di proteggere meglio gli ecosistemi. Una vera innovazione è la messa in atto di interventi che interferiscono, peggiorandola, con la biologia riproduttiva degli insetti. E’ noto che alcuni insetti utilizzano feromoni sessuali come richiamo per l’accoppiamento. La disponibilità di feromoni sintetici consente di interferire con il loro sistema di comunicazione impedendo l’accoppiamento. Una volta che i feromoni sono noti nella loro struttura chimica, possono essere resi disponibili per sintesi. La tecnica viene poi completata con l’individuazione delle formulazioni e concentrazioni necessarie per la loro diffusione nei frutteti. Le prime esperienze in Trentino, dove i comprensori produttivi sono particolarmente omogenei e quindi adatti a una lotta generalizzata, datano dal 1981; dieci anni dopo il metodo era applicato su centinaia di ettari. Al momento è in atto una copertura del 100% in viticoltura per il controllo di Lobesia botrana e del 70% in frutticoltura per Cydia pomonella.

La biologia agraria

Acqua

Un ettaro di mais che produce 9 tonnellate di semi usa circa 7 milioni di litri di acqua, spesso irrigua. Quando l’acqua è distribuita per aspersione, invece che per scorrimento, le produzioni aumentano del 5-20% e si riduce del 15% il consumo di acqua; l’irrigazione a goccia determina incrementi produttivi del 15-30% e utilizza il 20-60% di acqua in meno. Un razionale approccio all’uso dell’acqua dovrebbe considerare i trattamenti di reflui agricoli che permettono il recupero della risorsa, le relazioni tra uso di acqua e uso di energia, la gestione dei rischi da siccità e inondazione, i servizi agli ecosistemi umidi. Una tra le molte possibili soluzioni è ovvia: ridurre i consumi. Una seconda è di sviluppare varietà di piante che utilizzano meglio l’acqua o che possano superare periodi di siccità.

Perennialismo

Quaranta quattro milioni di Km quadrati di suoli agricoli hanno condizioni ambientali che permettono solo un’agricoltura a bassa resa, quando coltivati con piante annuali: sono terre agricole marginali ad elevato rischio di degrado. Il loro sfruttamento è possibile, nel rispetto della sostenibilità agricola, coltivando piante perenni. Queste riducono il consumo di energia e di prodotti agrochimici, gli effetti delle arature sulla perdita di suolo, così come il consumo di acqua e le perdite di azoto. In assenza di concimazione, la graminacea perenne Miscanthus, per esempio, intercetta il 61% in più di radiazione solare e produce il 59% in più di biomassa, confrontata al mais allevato nelle stesse condizioni. Hanno qualche svantaggio: sacrificano parte della produzione per sostenere il loro perennialismo.

Lo sfruttamento del perennialismo per la produzione di derrate alimentari può riguardare la trasformazione di specie annuali in perenni. E’ il caso di grano, sorgo, girasole, e riso. Questo approccio utilizza l’incrocio interspecifico assistito da marcatori molecolari, ma anche metodi molecolari, per ora tesi alla individuazione, in specie modello, di geni responsabili del comportamento perenne. Anche l’addomesticamento di nuove specie perenni offre concrete possibilità, come per la graminacea euroasiatica perenne Thinopyrum intermedium, sinonimo Agropyrum intermedium che produce semi simili a quelli del frumento. Desmanthus illinoensis è una leguminosa perenne dell’America del nord, adatta a sistemi agricoli che prevedono la coltivazione di miscugli di piante. Le sue radici ospitano batteri azoto fissatori che contribuiscono a migliorare la fertilità dei suoli. Helianthus maximiliani, nativo delle Americhe, è una composita rizomatosa perennante il cui addomesticamento è in atto presso il Land Institute, U.S.A. teso a creare una specie perenne da olio.

Biomassa e fotosintesi

La considerazione delle piante da energia al momento si concentra su pioppo, miscanto, Panicum virgatum, Arundo donax. I caratteri di queste piante da migliorare o da introdurre sono perennialismo, maschio sterilità, qualità della ligno-cellulosa, efficienza fotosintetica, architettura della pianta, uso dell’azoto e foto respirazione.

Le piante convertono in energia chimica dal 2 al 4% dell’energia che intercettano.L’arricchimento delle concentrazioni della CO2 nell’organello fotosintetico delle piante con fotosintesi C3 aumenta la velocità fotosintetica del 30% come media di un intero giorno. I dati di arricchimento sono stati interpretati in funzione di un assunto: quanto è ottenibile variando la concentrazione di CO2 si può riprodurre con il miglioramento genetico e/o con manipolazioni geniche. L’utilizzazione dei meccanismi molecolari C4 per migliorare la fotosintesi C3 è difficile, in quanto presuppone la capacità di esprimere enzimi in tessuti e cellule diverse anatomicamente, da rendere adatti alla fotosintesi C4: un approccio per ora molto difficoltoso. E’ questa la ragione che ha indotto a considerare come strategia più adatta la correzione dei limiti della fotosintesi C3. L’approccio che più di altri attira l’attenzione dei tecnologi prevede l’espressione nei cloroplasti dei trasportatori di CO2 e di acido carbonico dei cianobatteri.

Piante e parassiti: genetica 

Una riduzione nel carico ambientale è associabile alla coltivazione di piante che resistono a insetti e patogeni, con conseguente riduzione dell’impiego di agrochimici. Contributi recenti alla possibilità di ottenere piante resistenti, se non addirittura immuni, all’attacco dei parassiti animali e microbici, vengono dall’analisi genomica della famiglia genica NBS-LRR che in tutti i vegetali codifica per i recettori del segnale proveniente dal parassita; dalla considerazione del ruolo che nei fenomeni di resistenza hanno gli RNA di piccole dimensioni (smallRNA); da nuove conoscenze sulla partecipazione dell’acido salicilico al segnale che potenzia la resistenza endogena delle piante; dalla scoperta e dall’analisi funzionale delle molecole secrete dai patogeni e che mediano i loro rapporti con la pianta. La tecnologia TILLING permette di individuare alleli mutati di un gene specifico. Richiede la conoscenza della sequenza del gene di interesse ed è utile negli studi di associazione di geni per la resistenza alle fitopatie e la loro funzione in pianta. Una ulteriore tecnica permette di generare mutazioni a un gene di interesse per correggerlo in regioni specifiche del gene stesso.

Miglioramento genetico e genomica

              
Fino agli anni recenti le basi sperimentali del miglioramento genetico delle piante sono state essenzialmente empiriche. Oggi, varietà resistenti possono essere sviluppate con metodi di miglioramento genetico convenzionale, con selezione assistita da marcatori molecolari che permettono di accumulare nello stesso genotipo fattori genetici multipli di resistenza, con metodi di selezione genomica, e ricorrendo alla transgenosi che si è dimostrata particolarmente efficace per il contenimento delle popolazioni di insetti dannosi.

Un diffuso approccio al miglioramento genetico si basa sulla possibilità di utilizzare, come marcatori molecolari, polimorfismi contigui, nella molecola del DNA, a loci genetici responsabili della determinazione di caratteri a variabilità discontinua e continua. Una estensione dell’uso dei marcatori riguarda la comprensione della variabilità genetica di tipo continuo assegnabile a specifiche regioni cromosomiche gli (QTL). La disponibilità di una larga batteria di marcatori predittivi di importanti caratteri rende possibile la loro utilizzazione in piani di selezione assistita (MAS), che possono anche includere la piramidazione di azioni multigeniche favorevoli all’espressione dello stesso carattere.

La genomica si preoccupa di caratterizzare tutta l’informazione contenuta nel DNA di un organismo. Un documento del Science Advisory Council, European Academies, indica, per i prossimi 5-15 anni, le seguenti opportunità offerte dalla genomica: miglioramento genetico molecolare; basi molecolari di perennialismo, apomissia, riproduzione vegetativa e sessuale; implicazioni molecolari dell’addomesticamento delle piante; architettura della pianta; sviluppo del seme e del fiore; acclimatamento; adattamento all’ambiente; riduzione del livello di sostanze tossiche e antinutrizionali; miglioramento del contenuto in micronutrienti; aumento dell’efficienza di piante “orfane”, come specie arboree da foresta o da frutto. Non è intenzione discutere in questa sede il problema degli OGM in agricoltura. Si fa però osservare che nella rassegna del National Science Council americano si segnala che almeno 97 specie di piante di interesse agrario sono al momento state trasformate con l’obiettivo di migliorarle.

Il ruolo della società e dei singoli individui 

Le politiche dei governi possono contribuire a modificare ed adottare nuovi sistemi agricoli. A livello internazionale sarebbe necessario mantenere costanti le scorte di cereali; accordarsi sulle quote di fertilizzanti per regioni e colture specifiche; intensificare il trasferimento tecnologico tra pubblico e privato; regolare gli aiuti in natura nel caso di carestie; facilitare l’accesso al mercato dei paesi in via di sviluppo; destinare risorse ai paesi meno sviluppati. Soprattutto, i governi nazionali e sovranazionali devono rivedere le priorità utilizzate per l’allocazione delle risorse ai programmi di ricerca strategica. Le tre crisi che nel futuro possono condizionare il pianeta riguardano l’approvvigionamento di cibo, la scarsità delle fonti fossili di energia, il deterioramento dell’ambiente. Alle ricerche in questi ambiti dovrebbe essere assegnata una nuova e forte priorità, considerando che l’agricoltura contribuisce a proporre soluzioni e contemporaneamente ad aggravare le tre emergenze segnalate. Il richiamo alle azioni di governo non esclude la necessità che ogni singolo cittadino si senta responsabile del futuro del pianeta. Questo “commitment” (fare e credere in qualcosa non per coercizione ma per convinzione), è in parte rilevante non delegabile a governi o ad altre istituzioni, ma deve essere onorato da ciascuno. L’impegno può concretarsi in una molteplicità di comportamenti da tutti facilmente intuibili.

Conclusioni

L’agricoltura è intrinsecamente fragile in termini di sostenibilità. Le soluzioni adottabili entro questo secolo non possono che essere basate su sistemi a ridotto consumo energetico e ad elevati contenuti di conoscenza. I punti caldi da proporre a verifiche locali sono: interruzione dell’aratura di nuove terre nei tropici; coltivazione di una gamma estesa di specie vegetali, particolarmente di piante perenni; modelli di conservazione della biodiversità negli areali coltivati e negli ecosistemi naturali limitrofi; ruolo delle varietà resistenti agli stress biotici e abiotici; specie e varietà che risparmiano acqua e che si allineano alle dinamiche delle precipitazioni naturali; sistemi di irrigazione e concimazione basati su sicure evidenze scientifiche; mezzi esterni a supporto dell’agricoltura diversi secondo il contesto locale; soluzione al problema dei reflui e dell’uso delle coltivazioni per biocarburanti; considerazione del gap produttivo tra produzione potenziale massima e produzione registrata localmente; considerazione e integrazione tra le dimensioni sociale, ambientale, economica e innovativa dell’agricoltura; rafforzamento della base di capitale umano dedicato a coltivare i campi; in generale aumento significativo dell’efficienza d’uso delle risorse agricole, anche con l’adozione di concetti di agricoltura di precisione.

Importanti opzioni da considerare per il futuro di una agricoltura rispettosa dell’ambiente vengono offerte da modelli noti come “Integrated pest managment” e “Agricoltura biologica”. Il primo combina il controllo biologico con l’aumento delle resistenze delle piante e con pratiche agricole affidabili, minimizzando il ricorso ai pesticidi . Il secondo prevede un ridotto uso di pesticidi, rinunciando a quelli di sintesi e ai fertilizzanti chimici. Principi di agricoltura biologica sono adatti particolarmente ad agricolture poco intensive, anche se denunciano più basse produzioni (attorno al 10%) in particolare per colture come caffè e banana, e nel caso del nostro paese, per monocolture specialmente di cereali condotte in aziende dove la produzione di derrate è disaccoppiata dall’allevamento animale. L’agricoltura di precisione propone un approccio tendente ad assicurare le risorse nutritive e la protezione della pianta senza incorrere in deficienze o eccessi. In sintesi: l’azione centrale da mettere in atto deve essere rivolta a soluzioni scientifiche radicali in grado di provvedere le singole componenti necessarie per lo sviluppo di nuovi sistemi agricoli: intensivi e nonostante questo sostenibili.

Una problematica centrale per la sostenibilità riguarda il miglioramento dell’efficienza della produzione e uso delle derrate alimentari. Il controllo delle proteine nelle diete è una opzione: se le 16 piante più coltivate al mondo fossero usate solo per l’alimentazione umana, la produzione mondiale di cibo aumenterebbe del 28%; prevedere quindi il consumo di più calorie e proteine vegetali può considerarsi una priorità, così come il consumo di pesce da acquacoltura che ha una resa, per kg di mangime utilizzato, molto superiore a quelle degli animali.

Di certo la sostenibilità agricola dovrà essere raggiunta in questo secolo assieme alla stabilizzazione delle popolazioni mondiali e dei livelli dei consumi. Sono stati proposti modelli anche pessimistici su come questa sostenibilità verrà realizzata. Una parte delle incertezze potrà essere eliminata da una razionale capacità di condurre ricerca agraria. La strada verso la sostenibilità non sarà comunque caratterizzata dal ritorno a forme di agricoltura tipiche dei tempi pre-industriali.