L’attività di ricerca scientifica ha prevalentemente riguardato le seguenti tematiche:

1) Aspetti metabolici dell’assorbimento del nitrato in specie erbacee e legnose.

E’ noto che il nitrato, oltre a rivestire il ruolo di nutrilita essenziale per la crescita delle piante, agisce anche come segnale coinvolto nella promozione e nella regolazione del suo stesso assorbimento.

Sono stati valutati gli effetti di concentrazioni crescenti di nitrato sull’assorbimento del nitrato in piantine di Triticum durum, L., cv. Appulo. E’ stato evidenziato che l’assorbimento viene incrementato dopo induzione a bassi livelli di nitrato (50 µM KNO3), mentre viene inibito dopo induzione alle più alte concentrazioni (2000 µM KNO3). Le alte concentrazioni di nitrato provocano una inibizione da “feedback”, probabilmente dovuta all’accumulo di nitrato nelle radici. La rimozione del nitrato deinduce il sistema e la velocità di assorbimento diminuisce. Sulla base del modello teorico proposto da Crawford, è stato sviluppato un modello matematico che consente di descrivere i processi di regolazione di tipo induzione ed inibizione da “feedback” che controllano il trasporto del nitrato nei sistemi radicali. Tale modello, basato su un sistema autonomo non lineare di 3 equazioni differenziali tempo-dipendenti, ha mostrato un ottimo accordo con i dati sperimentali.

L’assorbimento del nitrato è stato ulteriormente studiato in presenza di interferenti che possono essere naturalmente presenti nel suolo, come le sostanze umiche e le sostanze allelopatiche, per es. la cumarina, o che possono essere aggiunte al terreno con le consuete pratiche agronomiche, ad es. i fitofarmaci.

- Le sostanze umiche interferiscono con numerosi processi fisiometabolici delle piante.

Lo studio dei parametri cinetici dell’assorbimento del nitrato (Imax, Km e Cmin) durante le fasi di induzione ed inibizione da “feedback” in giovani piantine di frumento, trattate con differenti concentrazioni di frazioni umiche, di diversa complessità molecolare, e con combinazioni di nitrato e frazioni umiche, ha evidenziato che la frazione umica a più basso peso molecolare (<3500 Ds) incrementa l’assorbimento del nitrato (Imax maggiore) e migliora l’efficienza del sistema di trasporto (valori di Km e Cmin minori), anche se in misura inferiore rispetto al nitrato. La frazione ad alto peso molecolare produce un effetto negativo, mentre un effetto additivo viene evidenziato quando le frazioni umiche ed il nitrato vengono simultaneamente forniti alla pianta durante il periodo di induzione. La rimozione delle sostanze umiche deinduce il sistema e la velocità di assorbimento del nitrato diminuisce. L’esposizione alle sostanze umiche non induce l’attività di nitrato reduttasi. La presenza di inibitori della sintesi delle proteine annulla gli effetti positivi della frazione umica a basso peso molecolare, supportando così l’ipotesi che le sostanze umiche producono un’accelerazione della sintesi delle proteine carriers.

- I fenomeni di induzione hanno come riscontro variazioni nella struttura del genoma; si è voluto, pertanto, accertare se le frazioni umiche utilizzate provocassero modificazioni a carico della struttura del DNA radicale. E’ stato visto che le sostanze umiche sono in grado di indurre alterazioni strutturali del DNA, riguardanti fenomeni di ipo- ed ipermetilazione e di amplificazione genica nelle radici di frumento. E’ stata, inoltre, evidenziata l’esistenza di DNA apoptotico, in misura variabile a seconda della regione radicale considerata.

- La cumarina è una sostanza allelopatica in grado di alterare gli assetti auxinici con conseguente riduzione degli accrescimenti radicali, per cui si è pensato potesse influenzare l’assorbimento del nitrato. E’ stato evidenziato che la cumarina ha differenti effetti sui sistemi di trasporto del nitrato indotto e non indotto. Nell’intervallo di concentrazioni utilizzate, la cumarina non influenza significativamente l’assorbimento del nitrato in piantine di frumento non indotte. Viceversa, in piantine indotte incrementa l’assorbimento del nitrato fino alla “full induction”, ma solo la concentrazione 0,1 mM incrementa significativamente la velocità di induzione. In presenza di nitrato, anche le più basse concentrazioni di cumarina testate stimolano la traslocazione del nitrato dalle radici alle foglie. Tale risultato può essere interpretato sulla base degli effetti che le basse concentrazioni di cumarina esercitano sull’anatomia e la morfologiaradicale, ma non è possibile escludere una specifica interazione tra la cumarina e i sistemi che regolano l’assorbimento ed il trasporto del nitrato nelle cellule radicali.

- L’imazamethabenz-methyl (assert) è un erbicida imidazolinonico che viene utilizzato in post emergenza soprattutto per il controllo dell’Avena fatua nella coltura dei cereali. E’ stato verificato se la presenza dell’assert, in combinazione o meno con la sostanza umica, potesse in qualche modo influenzare l’induzione ed il trasporto del nitrato nelle radici di frumento. Si è visto che l’erbicida interferisce in modo positivo con il trasporto del nitrato, anzi è più efficace degli acidi umici stessi nell’influenzare positivamente l’assorbimento di nitrato a livello radicale. Ciò è stato messo in relazione con la maggiore richiesta di azoto da parte della pianta, nella quale si verifica una diminuzione della sintesi degli amminoacidi ramificati (si è evidenziata la diminuzione dell’attività dell’acetoidrossi acido sintasi). Di conseguenza si potrebbe avere una accelerazione nel turnover delle proteine di membrana, quindi una maggiore velocità nell’assorbimento del nitrato, un incremento dell’efficienza del trasporto, della traslocazione e della riduzione ad ammonio.

- E’ stato valutato l’assorbimento del nitrato in due specie di Pinus che vegetano in condizioni edafiche molto diverse. Il Pinus laricio mostra un sistema di trasporto dei nitratimolto efficiente alle basse concentrazioni; comportamento opposto si verifica per il Pinus pinaster. Probabilmente, una diversa pressione di selezioneha fatto sviluppare due sistemi di assorbimento del nitrato in grado di ottimizzare l’utilizzo di tale nutriente nei due diversi habitat.

2) Attività biologica delle sostanze umiche.

Oltre all’influenza esercitata sull’assorbimento del nitrato, è stato studiato il ruolo svolto dalle sostanze umiche sui processi di crescita e differenziamento cellulare, utilizzando espianti fogliari di Nicotiana plumbaginifolia, Nicotiana tabacum e Petunia hybrida. Gli studi eseguiti hanno permesso di evidenziare che le frazioni umiche a basso peso molecolare (<3500Ds) hanno un’attività auxino-simile e sono in grado di interferire con varie attività metaboliche dei sistemi vegetali.

Esperimenti su semi di Pinus laricio hanno evidenziato che frazioni umiche ad alto peso molecolare (>3500 Ds) hanno un effetto inibitorio sulla germinazione di tali semi, relazionabile con l’effetto negativo esercitato dalla sostanza umica sia sul sistema ascorbato che sul metabolismo degli amminoacidi. Gli effetti negativi sulla germinazione sono risultati più evidenti dopo il trattamento con le frazioni umiche caratterizzate da un maggiore contenuto in gruppi C-peptidici e C- carboidratici.

Frazioni umiche ad alto peso molecolare sono state saggiate anche sulla crescita di callo di Pinus laricio. I risultati ottenuti hanno evidenziato che la crescita del callo veniva inibita, il tessuto calloso era in uno stato di stress, vi era una bassa utilizzazione di glucosio e fruttosio da parte del callo ed una inibizione dei principali enzimi coinvolti nel metabolismo dei carboidrati e nella glicolisi. L’inibizione della crescita del callo non era osservata quando le sostanze umiche erano utilizzate in combinazione con gli ormoni. Ciò fa’ supporre che le sostanze umiche sono in grado di esercitare un’azione competitiva con gli ormoni, in particolare con l’ormone sintetico 2,4-D (acido 2,4-diclorofenossiacetico).

L’attività biologica delle sostanze umiche è stata relazionata alla loro composizione chimica piuttosto che al loro differente peso molecolare; studi su culture cellulari di carota hanno altresì evidenziato che l’attività auxino-simile di alcune frazioni umiche è relazionabile alla loro interazione con la membrana cellulare.

• Attività biologica di composti fenolici estratti dal suolo

E’ stato affrontato lo studio dei composti fenolici presenti nel terreno, rilasciati durante la decomposizione della sostanza organica, ritenuti importanti intermedi nella formazione delle sostanze umiche.

Sono stati caratterizzati, mediante cromatografia HPLC, estratti fenolici acquosi provenienti da due suoli forestali aspromontani con differente copertura vegetale. E’ stata dimostrata la loro attività ormono-simile riguardo la radicazione di espianti fogliari di Nicotiana plumbaginifolia.

L’inibizione della germinazione dei semi di Pinus laricio, non sempre proporzionale alla concentrazione utilizzata di composti fenolici, è stata correlata sia all’inibizione delle attività delle amilasi, enzimi coinvolti nella degradazione dell’amido,che alla bassa utilizzazione delle riserve dei lipidi, con un conseguente deficit in glucosio, principale substrato della respirazione. Il differente comportamento degli estratti fenolici, delle loro miscele e dei singoli acidi fenolici utilizzati ha evidenziato che gli effetti dei fenoli nel suolo difficilmente possono essere attribuiti al singolo acido fenolico, bensì sono dovuti ad un loro effetto sinergico.

Sono stati studiati, inoltre, gli effetti di composti fenolici a basso peso molecolare, rilasciati da lettiera di Pinus laricio e Pinus pinaster, sull’assorbimento e l’assimilazione dell’ammonio nelle due specie forestali. Le differenze riscontrate nel comportamento delle due specie (maggiore assorbimento ed assimilazione dello ione ammonio nel pino laricio, effetto negativo nel pino pinaster) possono essere correlate ai cambiamenti indotti dalle differenti soluzioni fenoliche nella anatomia radicale delle due conifere.

• Caratterizzazione e classificazioni di suoli

E’ stato condotto uno studio fitopedologico su un’area interna calabrese, caratterizzata da diversità geomorfologiche, ambientali, colturali ed infrastrutturali, con lo scopo di determinare la capacità d’uso dei suoli, inoltre, è stato studiato lo stato e l’evoluzione della sostanza organica in andisuoli del versante Sud dell’Etna. La classificazione dei suoli aspromontani, formatisi su versanti differenti, caratterizzati da vegetazione e microclima diverso, è stata valutata considerando il turnover della sostanza organica ed umica all’interno di tali suoli. Il clima (piogge, temperature e regime di umidità del suolo) è stato ritenuto il principale fattore che determina la diversa evoluzione dei suoli nelle aree esaminate.

L’evoluzione della sostanza organica è stata anche studiata su suoli rappresentativi dell’Altopiano della Sila: ambienti sottoposti a forte pressione antropica mostrano una alterazione delle proprietà chimico-fisiche dei suoli, con un notevole calo della fertilità naturale.

E’ stato studiato l’impatto che la creazione di buche di differenti dimensioni può esercitare sulla decomposizione della sostanza organica e la biomassa microbica in foreste di pino e di abete sull’Appennino Calabrese: appropriate procedure di gestione del bosco preservano le proprietà dei suoli, favorendo la rigenerazione naturale delle specie forestali presenti, nella prospettiva di un’adeguata conservazione delle funzioni ecologiche.

5) Altre ricerche

- Ha condotto studi sull’adattabilità del Pennisetum clandestinum, Hochst (kikuyu grass), specie perenne originaria dell’Africa Centrale, in aree marginali mediterranee. L’interesse nei confronti di questa specie è dovuto alla sua facilità di crescita, al notevole sviluppo radicale ed alle sue elevate proprietà nutritive che ne consentono un utilizzo sia per il controllo dell’erosione del suolo che come foraggio.

Tale specie ha una estrema adattabilità a condizioni di stress, come all’acidità del suolo (fino a valori di pH 4 non si osservano significative variazioni nella crescita, nell’assorbimento del nitrato e nella struttura radicale) e agli alti livelli di salinità (fino a 100 mM NaCl). Tale tolleranza risulta associata alla induzione delle difese antiossidanti della pianta e ad una inalterata utilizzazione dei carboidrati. I bassi valori di pH e gli alti livelli di salinità non alterano in modo significativo le proprietà nutritive della kikuyu.

Alcune importanti conclusioni sono state tratte dallo studio effettuato su quattro genotipi di lenticchia, allo scopo di determinare i fattori responsabili del fallimento della germinazione in ambiente salino. Anche se la lenticchia è una specie molto sensibile alla salinità, molto più di altre leguminose, sono state individuate due cultivars, Ustica e Pantelleria, native delle omonime isole siciliane, che possono essere utilizzate non solo nei programmi di “breeding”, ma anche possono essere coltivate in ambienti dove la salinità del suolo è una frequente restrizione.

- In collaborazione con l’Istituto di Colture Legnose Agrarie e Forestali, si è occupata dello studio della ripartizione dei carboidrati nei vari organi di cultivars extraprecoci e extratardive di pesco su portainnesti di differente vigore. I risultati ottenuti hanno evidenziato che il portinnesto non modifica in alcun modo il contenuto in zuccheri solubili, ma influenza il contenuto in amido. Le cultivars tardive si differenziano da quelle precoci per un maggiore contenuto complessivo di zuccheri e acidi organici ed il sapore fortemente acidulo dei frutti delle cultivars extraprecoci si può attribuire alla maggiore incidenza dell’acido citrico rispetto al malico sull’acidità totale.

Ha altresì studiato gli effetti della fruttificazione sulla disponibilità stagionale dei carboidrati, in piante adulte di pistacchio, specie caratterizzata da un fenomeno atipico di alternanza di produzione, sottoposte o meno alla rimozione completa delle infiorescenze. I risultati ottenuti hanno evidenziato che il fenomeno dell’alternanza della produzione è fortemente legato allo stato nutrizionale delle piante.

Ha utilizzato altresì tecniche statistiche (CDA “canonicaldiscriminant analysis”) in combinazione con analisi isoenzimatiche per caratterizzare ed identificare cultivars maschili e femminili di pistacchio, dimostrando che l’uso delle due tecniche combinate risulta vantaggioso per un rapido screening del germoplasma di pistacchio.