Approcci agronomici ed ecosistemici innovativi per migliorare la resilienza e la qualità del frumento in risposta agli stress abiotici

Heat stress and drought during the late stages of the wheat cycle promote the acceleration of crop phenology through the anticipation of leaf senescence, leading to grain yield and quality impairments. The objective of this PhD project was to enhance resilience and quality of common wheat, by investigating both an agronomic and an ecosystem approach. The two innovative strategies proposed here are (i) foliar spraying of cytokinins after wheat flowering, and (ii) implementation of agroforestry systems. As regards to the agronomic approach, a systematic review work on the effects of the exogenous application of phytohormones in cereals revealed the promising potential of this technique to enhance tolerance to various abiotic stress. Summarizing the available knowledge allowed to highlight the effectiveness of cytokinins (CKs) exogenous supply in delaying leaf senescence and promoting stress tolerance. However, indications on the time of application in open field are still lacking. Therefore, it was conducted a field study with the aim at investigating four times of CKs application starting from flowering, and three doses, using a commercial product containing 6-benzyladenine (6-BA). Here it was demonstrated that, under high temperatures and drought (like in 2018 season), CKs application should be scheduled at flowering to achieve a significant prolonging of leaf photosynthetic activity during grain filling. With 100 ppm of 6-BA, grain protein content was improved by up to 1.2%, as absolute increment vs. C, and yield by 4%. A two-year field trial was carried out to corroborate these findings in relation to different climatic conditions. When low temperatures and abundant rainfall occur during grain filling (like in 2019 season), the most efficient timing of CKs spraying was after flowering (10 days). In this case, leaf chlorophyll content was maintained high until early-June, and both grain yield and protein content were improved, although not significantly. Regardless the year of study, the technological quality and nutritional value of wheat grains were positively impacted by CKs, as showed by the higher glutenins/gliadins ratio (+14% in 2018 and +7% in 2019), with no changes in the total gluten content, and higher minerals concentration (+10% of P, Ca, Mg and K). As regards the ecosystem approach, a synthesis work was carried out to disentangle the potential of tree rows to improve resilience of grain crops within temperate agroforestry (AF) systems. Common wheat revealed the least negative impacts on crop yield when placed close to trees, as compared to light-demanding crops such as maize. To mimic the effect of trees, artificial shading was implemented with different levels of photosynthetic active radiation reduction (-30% and -50% PAR) in order to investigate the effects on modern and old wheat varieties. Moderate shading (-30% PAR) positively delayed leaf senescence and increased grain protein content by +1.8% vs. C, together with slight improvements of grain yield (+8%) in the modern var. Bologna. The old high-size varieties were damage by abundant rainfall and lodging in spring, and showed significant yield losses (up to -67%). However, these finding should be corroborated in real AF, where the shelter of trees might reduce the impact of adverse climatic conditions. Indeed, within a poplar alley-cropping system with 40 m apart tree rows, it was observed positive variations in both grain yield and quality of wheat in the interaction zone with trees. Contrasting responses, depending on variety choice, were again observed, as a “biscuit-making” wheat variety showed higher yield gain than a “bread making” variety (+14% and +4% respectively, vs. C) in the proximity of trees. Some key traits of adaptability to AF were revealed, such as the ratio between leaf and culm area indexes, and the lengthening of flag leaf photosynthetic activity during grain filling, thereby contributing to better light harvesting.

L'obiettivo di questo progetto è stato quello di migliorare la resilienza e la qualità del frumento tenero, utilizzando sia un approccio agronomico che ecosistemico. Le due strategie innovative studiate sono (i) l’applicazione fogliare di citochinine dopo la fase di fioritura e (ii) l'implementazione di sistemi agroforestali. Per quanto riguarda l'approccio agronomico, lo studio bibliografico sugli effetti dell'applicazione di fitormoni nei cereali ha rivelato la possibile efficacia di questa tecnica per aumentare la tolleranza agli stress abiotici. Non sono invece disponibili indicazioni sull’epoca di applicazione in studi di pieno campo. Pertanto, è stata condotto una sperimentazione confrontando quattro epoche di applicazione di CKs a partire dalla fioritura. È stato dimostrato che, nel caso di elevate temperature e stress idrico a fine ciclo, l'applicazione di CKs va programmata in fioritura per ottenere un significativo prolungamento dell'attività fotosintetica fogliare. Il contenuto proteico è aumentato fino a +1,2% (incremento assoluto) rispetto a C, e la resa del 4%. È stata condotta una sperimentazione biennale per corroborare questi risultati in relazione alle diverse condizioni climatiche. Si è potuto concludere che in presenza di basse temperature e precipitazioni abbondanti a fine, l’epoca di applicazione più efficiente per la distribuzione di CKs è in pos-fioritura (10 giorni dopo). In questo caso, il contenuto di clorofilla fogliare è stato mantenuto elevato fino a inizio giugno, e sia la resa che la qualità hanno visto variazioni positive. Indipendentemente dall'anno di studio, la qualità tecnologica e il valore nutritivo delle cariossidi di frumento sono stati positivamente influenzati dall’applicazione di CKs, con un maggior rapporto glutenine/gliadine (fino a +14% nel 2018), senza osservare variazioni del contenuto totale di glutine. Per quanto riguarda l'approccio ecosistemico, è stata svolta una approfondita indagine bibliografica per valutare l’effetto degli alberi sulla resilienza delle colture nei sistemi agroforestali (AF). Il frumento e l'orzo hanno subito gli impatti sulla resa più limitati, rispetto a colture come il mais. Per simulare l'effetto degli alberi, è stata implementata una sperimentazione di ombreggiamento artificiale con diversi livelli di riduzione della radiazione fotosinteticamente attiva (-30% e -50% PAR) al fine di osservare gli effetti su varietà di frumento moderne e vecchie. L'ombreggiamento moderato (-30% PAR) ha ritardato favorevolmente la senescenza fogliare e aumentato il contenuto proteico di +1,8%, con miglioramenti della resa (+8%) nella varietà moderna Bologna. Le vecchie varietà, di taglia elevata, sono state danneggiate dalle abbondanti precipitazioni e allettamento in primavera, e hanno mostrato significative perdite di resa (fino a -67%). Tuttavia, questi risultati dovranno essere confermati in reali sistemi AF, dove il riparo degli alberi potrebbe ridurre l'impatto di condizioni climatiche avverse. Infatti, all'interno di un sistema alley-cropping con filari di pioppo distanziati 40 m, sono state osservate variazioni positive sia della resa che della qualità della granella nella zona di interazione con gli alberi. Sono state nuovamente osservate risposte contrastanti in funzione della varietà, in quanto una varietà biscottiera ha presentato un aumento di resa maggiore rispetto ad una varietà panificabile in prossimità di alberi. Sono stati identificati alcuni key traits dell’adattabilità all'AF, come il rapporto tra l'indice di area fogliare e di area dei culmi, e la persistenza dell'attività fotosintetica fogliare durante il riempimento della granella, che contribuiscono ad una migliore intercettazione della radiazione.