L’importanza di carbonio, idrogeno e ossigeno nella produzione agraria

Gli elementi minerali essenziali per le piante sono diciassette e comprendono i macronutrienti (C, H, O, N, P, K, Ca, Mg, S) e i micronutrienti (Fe, Mn, B, Cu, Zn, Mo, Cl, Ni). La letteratura scientifica include, inoltre, dieci elementi come “benefici” e potenziali biostimolanti inorganici: alluminio, cesio, cobalto, iodio, lantanio, sodio, silicio, titanio, vanadio.
Interessante sottolineare come nei Paesi Sudamericani, il carbonio, l’idrogeno e l’ossigeno vengono spesso definiti MEGA-elementi, proprio per esaltare la loro enorme importanza nella fisiologia vegetale.
Questi elementi sono nutrienti "gratuiti" poiché non devono essere acquistati per essere, poi, applicati come fertilizzanti nella produzione agricola. Essi, ad esempio, costituiscono circa il 94% del peso secco di una pianta di mais (carbonio – 44%, ossigeno – 45% e idrogeno – 6%). Eppure, raramente vengono considerati in un programma di fertilità per le colture.
Sono componenti principali di amido, proteine, olio e fibre, che costituiscono circa l'85% della resa finale dei cereali (il restante 15% è acqua).
Idrogeno e ossigeno sono fondamentali per la vita vegetale: sono “mattoni” strutturali, centrali per i flussi energetici ed essenziali per le reazioni biochimiche. I loro ruoli possono essere organizzati in tre categorie—struttura, metabolismo/energia e processi fisiologici—con implicazioni pratiche per la crescita e la gestione delle colture.

1. Ruoli strutturali
• Scheletri di carbonio e acqua: idrogeno (H) e ossigeno (O) si combinano con il carbonio (C) per formare carboidrati (zuccheri, amido, cellulosa) che costituiscono le pareti cellulari, le membrane e i tessuti di stoccaggio. La cellulosa, il principale polimero strutturale, è composta per il ~44% di ossigeno, in massa, e contiene abbondante idrogeno.
• Biomolecole: amminoacidi, acidi nucleici, lipidi e metaboliti secondari contengono tutti H e O come atomi integrali; senza di essi le piante non possono costruire proteine, DNA/RNA, membrane o pigmenti.

2. Fotosintesi e conversione dell'energia
• Fonte di elettroni e protoni: l'acqua (H2O) dona elettroni e protoni durante le reazioni luminose della fotosintesi (fotolisi). Gli elettroni riducono NADP+ a NADPH; i protoni contribuiscono al gradiente protonico che guida la sintesi dell'ATP.
• Rilascio di gas ossigeno: la scissione dell'acqua rilascia O2 come sottoprodotto che si accumula nell'atmosfera; questo processo collega l'attività delle piante ai livelli di ossigeno atmosferico e alla vita sulla terra.
• Sistema redox: l'idrogeno, nei composti organici ridotti (zuccheri), immagazzina energia chimica; il trasferimento di H (come H+, H• o idruro), nelle reazioni metaboliche, media gli scambi di energia (sistemi NADH/NADPH).
• Relazioni con l'acqua, trasporti e turgore cellulare
• Solvente e mezzo di trasporto: l'acqua è il mezzo per l'assorbimento dei nutrienti minerali, il trasporto del floema/xilema e la diffusione intracellulare. Le sue proprietà di legame H-H determinano il comportamento della parete cellulare e della membrana, la tensione superficiale e la capillarità nello xilema.
• Pressione di turgore: il contenuto d'acqua cellulare mantiene il turgore, che favorisce l'espansione cellulare, l'apertura degli stomi e il supporto fisico nei tessuti non legnosi.
• Flusso di traspirazione: l'evaporazione dell'acqua dalle foglie (traspirazione) trascina verso l'alto acqua e minerali disciolti; questo processo dipende dalle proprietà dell'H2O.

3. Funzioni metaboliche e biochimiche
• Substrato e reagente: l'acqua partecipa direttamente all'idrolisi, alla condensazione e a molte reazioni enzimatiche (ad esempio, idrolisi di ATP, sintesi di polimeri, ecc.).
• pH ed equilibrio ionico: la concentrazione di H+ (protoni) controlla il pH citosolico e degli organi, influenzando l'attività enzimatica, i potenziali di membrana, l'assorbimento di nutrienti (H+-ATPasi) e i meccanismi di co-trasporto.
• Ossigeno per la respirazione: l'O2 molecolare è l'accettore terminale degli elettroni nella fosforilazione ossidativa mitocondriale; la respirazione ossida i carboidrati per rilasciare ATP per la crescita e il mantenimento.
• Specie reattive dell'ossigeno (ROS): Il metabolismo dell'ossigeno produce ROS (ad esempio, O2•−, H2O2) che fungono da molecole di segnalazione a bassi livelli, e causano danni ossidativi ad alti livelli; le piante gestiscono gli ROS tramite sistemi antiossidanti.

Come gestire gli elementi “gratuiti” per le piante
L’idrogeno e l’ossigeno sono abbondanti nell’acqua e nell’atmosfera (C); la crescita delle colture è tipicamente limitata dalla fornitura d'acqua e di aria, piuttosto che dalla scarsità di elementi minerali. I deficit si manifestano come stress da siccità, riduzione della fotosintesi e trasporto di nutrienti.
L'irrigazione, la struttura del suolo e il controllo dell’apertura stomatica influenzano direttamente la disponibilità di idrogeno/ossigeno/carbonio e, quindi, la resa delle colture.
Per mantenere alto l’assorbimento di C-H-O è necessario, quindi:
• Assicurare un adeguato approvvigionamento idrico e un buon drenaggio per garantire la disponibilità di H2O e l'ossigenazione delle radici.
• Regolare indirettamente l’apertura/chiusura degli stomi attraverso l’irrigazione e la gestione del microclima della chioma per ottimizzare la fotosintesi rispetto alla perdita d'acqua.
• Riconoscere in tempo i segni dell’anossia (marciume radicale, clorosi, appassimento) e stress ossidativo (necrosi fogliare, clorosi) e affrontare la situazione attraverso aerazione, drenaggio, gestione delle lavorazioni del terreno e della struttura dei suoli (sostanza organica), ecc.
• Ecc.

La “chiave” per gestire questi tre MEGA-elementi essenziali (C-H-O) è gestire l'acqua e l’aria del suolo. Gestire l'acqua nel terreno è come gestire l'olio nel motore del trattore. Finché si mantiene il livello dell'olio tra i segni "pieno" e "aggiunta" sull'asta, la pressione dell'olio è adatta per il corretto funzionamento del motore. Per l'acqua, finché il contenuto idrico nel terreno è superiore al punto di appassimento o è a “livello” o inferiore alla capacità del campo, le piante crescono correttamente.
Per concludere, sembra strano, ma, spesso, è molto più semplice gestire le cose “a pagamento” che quelle “gratuite”!

Scarica: Fig. Composizione media di una pianta di mais.jpg