Matematica contro le infestanti: modello di dinamica delle popolazioni ed evoluzione della resistenza agli erbicidi nelle infestanti perenni

18 agosto 2023

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dell'Università Julius Maximilians di Würzburg

Le erbe infestanti rappresentano da sempre un problema non indifferente per l’agricoltura. Competono con le colture per risorse come luce, acqua e sostanze nutritive, il che può comportare gravi perdite di rendimento.

I ricercatori del Max Planck Institute for Evolutionary Biology di Plön e della Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) insieme alla professoressa di biologia di Würzburg Chaitanya S. Gokhale hanno sviluppato un modello matematico sulla dinamica della popolazione e sull'evoluzione della resistenza agli erbicidi nelle infestanti perenni che consente previsioni per un'erbaccia specifica. Lo studio è stato recentemente pubblicato su Nature Plants.

L’introduzione degli erbicidi nella seconda metà del secolo scorso ha rappresentato un importante passo avanti per il controllo delle infestanti nell’agricoltura convenzionale. Gli erbicidi consentono un’efficace rimozione delle erbe infestanti con un impiego di manodopera particolarmente basso e hanno ampiamente sostituito la rimozione manuale o puramente meccanica.

Tuttavia, nel corso degli anni, diverse specie hanno sviluppato resistenza a vari erbicidi, il che rappresenta una grande sfida per l’agricoltura e, in definitiva, può minacciare la sicurezza alimentare. La resistenza agli erbicidi si verifica spontaneamente e può già essere presente con basse frequenze nelle popolazioni di infestanti che non sono mai state trattate con gli erbicidi. Quando vengono applicati gli erbicidi, le piante resistenti hanno un vantaggio competitivo e la loro quota di popolazione aumenta rapidamente. Una volta che la percentuale di piante resistenti è sufficientemente elevata, la popolazione di erbe infestanti non viene più soppressa dall’erbicida.

Le erbe infestanti perenni come l'erba Johnson (Sorghum halepense) sono particolarmente difficili da controllare e possono portare a enormi perdite di rendimento. Il motivo è che si riproducono sessualmente attraverso i semi, ma possono anche riprodursi vegetativamente attraverso gli aculei che crescono orizzontalmente sotto terra, i cosiddetti rizomi. Una fornitura di semi inattiva nel terreno garantisce che la popolazione di erbe infestanti cresca nuovamente nella stagione successiva. In questo caso è possibile ottenere un migliore controllo mediante un’ulteriore lavorazione del terreno e opportune rotazioni delle colture. Analogamente all'uso degli antibiotici, una combinazione di diversi erbicidi o la loro rotazione può ritardare la comparsa di resistenze.

I metodi di controllo delle infestanti possono essere studiati in studi sul campo. Questi però sono naturalmente limitati nella durata e nel numero. La modellizzazione matematica si è rivelata estremamente preziosa per prevedere la dinamica della popolazione e l'evoluzione della resistenza nelle erbe infestanti. Tuttavia, la maggior parte dei modelli tratta solo piante annuali, poiché il ciclo di vita delle erbe infestanti perenni è molto complesso.

Il modello ora presentato consente di prevedere la dinamica della popolazione e l'evoluzione della resistenza agli erbicidi nella johnsongrass. Mappa il complesso ciclo di vita della pianta e l'effetto degli erbicidi e della lavorazione del terreno. Ciò consente anche di studiare l'impatto di caratteristiche specifiche del ciclo di vita sul controllo delle erbe infestanti perenni e sull'insorgenza di resistenze. Utilizzando simulazioni al computer, i ricercatori hanno scoperto, tra le altre cose, quali strategie di controllo sono efficaci nel ritardare l’evoluzione della resistenza agli erbicidi e nel mantenere piccola la popolazione di erbe infestanti.

Le combinazioni di diversi erbicidi con diverse modalità di azione sono chiaramente superiori alle rotazioni e ai monotrattamenti nel controllare le popolazioni di johnsongrass e la resistenza agli erbicidi. Riducono il rischio di resistenza agli erbicidi e di fallimento del controllo delle infestanti. In questo contesto, tuttavia, gli scienziati discutono anche di un potenziale aumento dell’impatto ambientale dovuto all’uso di più erbicidi.