Settori di ricerca

Aggiornato: 24 Febbraio 2023

Agronomia a coltivazioni erbacee

Il settore dell’Agronomia e delle Coltivazioni erbacee si interessa dei seguenti temi di ricerca:

  1. Agricoltura sostenibile (analisi dell’impatto agro-ambientale di tecniche e sistemi di produzione agricola attraverso metodologie di analisi dirette e LCA).
  2. Agricoltura biologica (ricerca di strategie produttive applicabili ai sistemi “biologici” con particolare riferimento all’uso delle colture di copertura e da sovescio come strumenti per la conservazione della fertilità del terreno e il contenimento della flora infestante).
  3. Biologia, eco-fisiologia, produzione e tecnologia delle sementi di specie coltivate e infestanti; conservazione e valorizzazione della biodiversità e attività di controllo e riproduzione del seme delle varietà locali.
  4. Coltivazione di specie “food” (studio della risposta produttiva e qualitativa di specie erbacee a destinazione alimentare, con particolare riferimento a leguminose da granella, cereali e specie oleaginose con particolare composizione acidica).
  5. Coltivazione di specie “non-food” (studio della risposta produttiva e qualitativa di specie erbacee a destinazione industriale, con particolare riferimento a colture da bioenergia, fibra e cellulosa, coloranti naturali, piante medicinali e colture per biobased products).
  6. Fitodepurazione delle acque (studio di sistemi diversi di fitodepurazione a scala aziendale: aree umide costruite, aree umide naturali e paludicoltura).
  7. Tappeti erbosi (impiego di satelliti e droni per lo studio dello stato nutrizionale e idrico dei tappeti erbosi; studio della adattabilità di specie macroterme e loro utilizzo per una riduzione degli apporti idrici e nutrizionali).

Le attività di cui sopra vengono svolte dai ricercatori del settore in collaborazione con aziende agricole toscane e colleghi delle principali Università e centri di ricerca nazionali (Bologna, Firenze, Perugia, Padova, Catania, Palermo, Sassari, ecc.) e internazionali [(i) Cranfield (UK), Ohio (USA); (ii) Fibl (CH); UC Berkeley, CA (USA); (iii) SNES, Geves (FR); (iv) Bonn (D); (v) Louvain (Belgium); INEGI, Porto (PT); Shahrekord, IRAN; NRC, Cairo (Egypt); (vi) Greifswald (D); (vii) New Mexico, Auburn (AL), Riverside (CA), Iowa.]
I ricercatori del settore utilizzano i laboratori convenzionali e “a cielo aperto” (campi sperimentali) del Centro Sperimentale di Rottaia, del CeRTES (Centro Ricerche Tappeti Erbosi Sportivi) e del Centro di Ricerche Agro-ambientali “Enrico Avanzi” (CiRAA), tutti situati in località San Piero d Grado. Per le ricerche relative al settore sementiero, il settore dispone del Laboratorio di Ricerca e Analisi sulle Sementi (LaRAS) che custodisce, tra l’altro, la Sezione della Banca Regionale del Germoplasma della Regione Toscana.

Figura 1 Carthamus tinctorius in fase di fioritura

Figura 2 – Prove di germinazione della varietà locale di Vicia ervilia (Mociarino)

Figura 3 – Confronto tra diverse specie utilizzabili come colture di copertura

Botanica

Le ricerche del settore di botanica si sviluppano su due linee prevalenti: una indirizzata allo studio degli elementi caratterizzanti la vegetazione di ambienti naturali e seminaturali in area mediterranea, al fine di evidenziarne lo sviluppo e lo stato di conservazione in relazione alle attività antropiche; l’altra indirizzata allo studio, in pieno campo e in ambiente controllato, delle interazioni che si instaurano tra le piante coltivate e tra queste e gli altri elementi dell’agroecosistema.

Le ricerche più recenti riguardano:

  • il rilevamento fitosociologico delle fitocenosi litoranee per la realizzazione di carte tematiche
  • l’evoluzione delle fitocenosi e del paesaggio agroforestale in aree critiche della provincia di Pisa
  • lo studio della determinazione delle componenti della produzione e della mobilizzazione dei nutrienti nei cereali autunno-vernini in relazione ai fattori climatici, alle risorse disponibili e al genotipo
  • lo studio della lisciviazione dell’azoto da colture singole e consociazioni di leguminose/ graminacee in risposta all’applicazione di concimi minerali, reflui e rifiuti organici
  • la sensibilità al ristagno idrico di specie leguminose e graminacee in relazione alla fase di sviluppo e alla durata della sommersione
  • lo studio dei processi di facilitazione e competizione nelle consociazioni agrarie tra leguminose e graminacee in risposta alla disponibilità di elementi nutritivi
  • la determinazione dello sviluppo degli apparati radicali nelle consociazioni agrarie tra leguminose e graminacee
  • la determinazione dei servizi ecosistemici delle consociazioni agrarie tra leguminose e graminacee

 

 

 

 

 

 

 

Esempio di sovrapposizione di mappe tematiche della vegetazione su mappe topografiche e foto aeree.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A, spighetta centrale della spiga di Triticum durum allo stadio 1° nodo.
B, D e C, sviluppo del fiore basale all’inizio della botticella in relazione a dosi crescenti di azoto.

 

 

 

Chimica agraria

Le ricerche riferite al settore della chimica del suolo si occupano di i) individuare e validare indicatori biologici di degrado chimico, fisico e biologico, anche in funzione di diverse gestioni agronomiche; ii) recuperare suoli inquinati da metalli pesanti e idrocarburi; iii) studiare cinetiche di mineralizzazione della sostanza organica in ambito agrario e urbano; iv) studiare l’uso di biomasse residue in agricoltura nonché produzione di compost di qualità.

Nell’ambito della chimica agraria vegetale vengono svolte ricerche su:
i) stress abiotici su target primari, meccanismi di segnalazione e risposte difensive delle piante;
ii) stress ambientali e processo fotosintetico;
iii) meccanismi di fotoprotezione dell’apparato fotosintetico;
iv) valore nutraceutico di alimenti vegetali anche in funzione dei fattori in pre- e post-raccolta;
v) radiazione UV e risposte biochimico-molecolari in frutti;
vi) cinetiche di formazione e decadimento delle ROS;
vii) biopolimeri naturali come rivestimento di alimenti freschi per migliorare qualità e shelf-life;
viii) risanamento di siti contaminati da metalli tramite fitoestrazione assistita o uso di appropriate tecniche colturali.

  

 Da sinistra a destra: Pianta di basilico della varietà ‘RedRubin’ e la struttura della cianidina-3-glucoside, il principale antociano presente nelle foglie; utilizzo di collagene e chitosano come polimeri commestibili di rivestimento.

Il gruppo di ricerca dispone di laboratori per analisi chimiche e biochimiche, centrifuga refrigerata, ultracentrifuga, spettrofotometri UV-Vis, celle elettroforetiche, HPLC, gascromatografi, fluorimetri per la misura della fluorescenza della clorofilla a, analizzatore di flavonoidi, antociani e clorofille, analizzatore automatico di carbonio e zolfo totali e di carbonio organico disciolto, cromatografo ionico, assorbimento atomico.

Il settore della chimica agraria ha all’attivo numerose collaborazioni con ricercatori del DiSAAA-a e di altre strutture di ricerca nazionali (Università,CNR) ed internazionali, tra cui: Valencian Institute for Agricultural Research, Valencia, Spain e Universidade de Aveiro, Portugal (L. Guidi); University of La Rioja, Spain, University of Pècs, Hungary, Leibniz-Institute of Vegetable and Ornamental Crops, Grossbeeren, Germany, University of Glasgow, UK, University of Natural Resources and Life Sciences, Vienna, Austria, e Federal University of Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Brazil (A. Ranieri); Universidad del País Vasco, Bilbao, Spain e Centre of Biotechnology of Borj Cédria, Hammam-Lif, Tunisia (M.F. Quartacci).

Economia agraria

Il settore di ricerca dell’economia agraria si occupa di comprendere e promuovere la transizione verso sistemi agro-alimentari sostenibili e resilienti. Il settore di ricerca abbraccia diversi argomenti che spaziano dall’economia agraria alla sociologia rurale e che sono sviluppati mediante approcci quantitativi e qualitativi.
I temi affrontati dal settore di ricerca comprendono:

  1. Sicurezza alimentare e sistemi alimentari. Analisi del funzionamento dei sistemi socio-ecologici nel garantire sicurezza alimentare e comprensione delle vulnerabilità e della resilienza
  2. Analisi delle “catene di valore” nei sistemi agro-alimentari. Comprensione del potere contrattuale tra gli attori lungo le filiere, i fallimenti del mercato, le asimmetrie informative e degli impatti sulla sostenibilità di diverse filiere.
  3. Processi di innovazione di natura tecnologica, organizzativa, sociale. Analisi della loro origine, dei loro meccanismi e del cambiamento generato. Stima degli impatti della ricerca e modellizzazione dell’adozione e simulazione degli impatti di nuove tecnologie.
  4. Dinamiche e cambiamenti strutturali nelle aree rurali. Analisi dei fattori di cambiamento: socio-demografiche, evoluzione negli obiettivi dei vari stakeholder, cambiamenti nell’uso dei fattori produttivi, rapporti tra città e campagna.
  5. Analisi del processo di formulazione della politica agricola comune, e stima degli impatti sulle strategie degli attori e sulla sostenibilità dei sistemi agro-alimentari.
  6. Valorizzazione dell’agro-biodiversità e delle risorse naturali. Metodologie partecipative e approcci transdisciplinari sottostanti allo sviluppo di nuove conoscenze e pratiche nei sistemi alimentari.

Il settore dell’economia agraria ha all’attivo numerose collaborazioni con ricercatori del DiSAAA-a e di altre strutture di ricerca nazionali ed internazionali, consolidate attraverso la partecipazione a progetti Europei.

Entomologia generale e applicata

L’attività di ricerca svolta dal settore copre diversi aspetti riguardanti il raggruppamento scientifico disciplinare: dallo studio dell’entomofauna dell’olivo e della vite a quello delle derrate alimentari, delle erbe officinali, degli insetti di interesse urbano e medico-veterinario. Oltre che nella ricerca di base, condotta con le più moderne tecnologie, il settore è fortemente impegnato in un’intensa attività di ricerca applicata, svolta con continuità, al servizio di diverse aziende toscane e non solo.

I principali settori di indagine riguardano studi su:
i) Tassonomia, biologia ed etologia di Tisanotteri;
ii) Bioattività di sostanze naturali (oli essenziali e estratti vegetali) nei confronti di insetti dannosi per l’agricoltura, per le derrate conservate e di interesse medico-veterinario;
iii) Comunicazione chimica intraspecifica in insetti di interesse agrario;
iv) Relazioni tritrofiche nel sistema parassitoide-pianta-fitofago, con particolare riferimento all’olivo e alla mosca (Bactroceraoleae);
v) Valore funzionale di prodotti dell’apicoltura (miele e polline);
vi) Impollinazione entomofila di piante coltivate;
vii) Applicazione di metodi eco-compatibili (controllo biologico con feromoni ed insetti entomofagi) per la difesa del vigneto dai principali insetti dannosi;
viii) Comunicazione vibrazionale negli insetti, con particolare riferimento a cicaline di interesse agrario.

Figura 1 – La zanzara tigre Aedes albopictus: A) larva, B) apparato boccale larvale, C) pupa.

 

Figura 2 – Apis mellifera (A); apiario didattico del DiSAAA (B, C).

Il settore di Entomologia generale ed applicata dispone di grandi attrezzature idonee alla effettuazione di studi morfologici e comportamentali, come un Microscopio Elettronico a Scansione FEI Quanta 200, un Vibrometro Laser PDV-100, Polytech GmbH, un Tunnel a vento, un moderno sistema per la ripresa video e per la fotografia tridimensionale, oltre a diversi olfattometri.

Il laboratorio di entomologia generale e applicata collabora con importanti gruppi di ricerca internazionali, quali la Kansas e la Missouri State Universities, la University of Hawaii (USA), la Université Côte d’Azur (Francia), la Fujian Academy of Agricultural Sciences (Cina), la Bharathiar University (India), la Heinrich-Heine-Universität di Düsseldorf (Germania), la University of Thessaly (Grecia), l’Università di Lleida (Spagna), la Universidad del Norte (Ecuador), la University of Béjaia (Algeria), la Umm Al-Qura University of Makkah (Saudi Arabia). Inoltre i docenti del Settore svolgono attività di supporto e ricerca per i Ministeri di Agricoltura degli Stati Uniti, del Cile e del Brasile.

Figura 3 – La tignoletta della vite Lobesia botrana (A); la cicalina della flavescenza dorata Scaphoideus titanus (B); Cryptolaemus montrouzieri (C) e Anagyrus pseudococci (E) rispettivamente predatore e parassitoide della cocciniglia cotonosa della vite Planococcus ficus (D and F); un dispenser di tipo Isonet ShinEtsu per confusione sessuale (G).

Fisiologia vegetale

Le principali linee di ricerca riguardano:

  • Lo studio del ruolo dei fitormoni durante lo sviluppo vegetativo e riproduttivo di pomodoro;
  • Studio dei cambiamenti indotti a livello biochimico e molecolare in piante di pomodoro trattate con Euglena gracilis paramylon(β-1,3-glucano);
  • Fitodepurazione, mediante uso di piante e alghe unicellulari, sia delle acque che dei suoli contaminati da inquinanti organici ed inorganici;
  • Effetto degli stress ambientali (UVB, salinità) su specie andine di interesse agrario (Maca, Quinoa, Tarwi);
  • Fisiologia dei tappeti erbosi sottoposti a differenti stress abiotici: differenze intra- ed inter-specifiche;
  • Il bilancio carbonio/azoto sulla crescita e lo sviluppo dei vegetali attraverso un approccio molecolare;
  • Effetti degli stress biotici e abiotici sui parametri fotosintetici;
  • Colture In vitro e approcci biotecnologici per incrementare la produzione di composti bioattivi in piante aromatiche e medicinali;
  • Effetti degli stress abiotici sulla produzione di composti bioattivi (nutraceutici, agenti tossici);

Laboratorio:Il gruppo dispone di laboratori per analisi biochimiche e molecolari e di camere di crescita. Gli strumenti disponibili per la ricerca includono centrifuga refrigerata, spettrofotometri UV-Vis, microscopi, macchine per PCR e RT-PCR, apparati per elettroforesi di acidi nucleici e proteine, HPLC, GC-MS, fluorimetro per la misura della fluorescenza e degli scambi gassosi, cappe a flusso laminare.

Figura 1. Fitodepurazione di una discarica di ceneri di pirite contenenti metalli pesanti ed arsenico tramite consociazione di piante, pioppo e felce, Pteris vittata. (Stabilimento Nuova Solmine di Scarlino, GR).

Collaborazioni: Il gruppo di ricerca collabora con altre strutture di ricerca nazionali tra cui, Università di Firenze, Scuola Superiore S.Anna di Pisa, ecce del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR Istituto di Biofisica e Istituto di Biologia Agro-ambientale e Forestale, IBAF), Consiglio per la ricerca in agricoltura e l’analisi dell’economia agraria (CREA: Unità di ricerca per la floricoltura e specie ornamentali, FSO). Con l’IBAF il DiSAAA ha in essere da diversi anni una convenzione per attività di ricerca e didattica. Il gruppo ha all’attivo collaborazioni con gruppi di ricerca internazionali tra cui: School of Biosciences, Cardiff University (UK), Universidad del Nordeste, Corrientes (Argentina), Pontificia Universidad Catolica del Perù, Lima (Peru), Hokkaido University, Sapporo (Japan), Universidade Federal de Grande Dourados, Dourados (Brazil), Jagiellonian University Krakow (Poland), Polish Academy of Sciences, Kraków (Poland), Medicinal and Aromatic Plants Research Department, National Research Centre, Il Cairo (Egitto).

Figura 2. Colture in vitro di Melissa officinalis.

 

Frutticoltura di Precisione

Il Laboratorio è coordinato dal prof. Giovanni Caruso. Altri membri del laboratorio sono il prof. Riccardo Gucci, il prof. Claudio D’Onofrio e il dott. Giacomo Palai.

Le principali attività di ricerca svolte dal laboratorio di Frutticoltura di Precisione riguardano l’utilizzo di tecniche di remote sensing, di sensoristica di campo e di modelli, finalizzate all’incremento dell’efficienza produttiva, della qualità delle produzioni e della sostenibilità dei frutteti e dei vigneti. Specifiche competenze sono presenti nell’ambito dell’ecofisiologia degli stress abiotici (idrici, nutrizionali, termici, luminosi, salini) delle specie arboree da frutto e nello sviluppo di strategie di gestione del frutteto innovative e a basso impatto ambientale (strategie di deficit idrico controllato, potatura minima, gestione del suolo conservativa).

 

                    

 

Il settore di ricerca dispone di SAPR (sistemi aeromobili a pilotaggio remoto) per attività di telerilevamento, di strumenti spettroradiometrici per la stima della clorofilla, dell’indice di area fogliare e dell’intercettazione radiativa nonché di spettroradiometri da campo operantinel VIS e nel VIS-NIR-SWIR e di sensori per la gestione irrigua. Il settore dispone, inoltre, di campi sperimentali, laboratori e attrezzature per il monitoraggio delle variabili agrometeorologiche, dello stato idrico dell’albero e per le analisi qualitative dei frutti e dei prodotti derivati.

Il gruppo di ricerca collabora con istituti di ricerca nazionali ed internazionali tra i quali: Dipartimento di Scienze Agrarie, Alimentari e Ambientali, Università di Perugia; Libera Università di Bolzano; CNR-IBIMET– Consiglio Nazionale delle Ricerche, Istituto di Biometeorologia, Firenze; CREA-AA, Consiglio per la ricerca in agricoltura e l’analisi dell’economia agraria – Centro di Ricerca Agricoltura e Ambiente; Consiglio per la Ricerca in agricoltura e l’analisi dell’Economia Agraria – centro di ricerca per l’Agrumicoltura e le Colture Mediterranee (CREA-ACM); Instituto de Agricultura Sostenible (IAS), Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), Córdoba, Spain; HyperSens Lab, University of Melbourne, Australia.

 

Genetica e genomica vegetale

Le principali attività di ricerca in genetica agraria svolte presso il laboratorio di Genetica e Genomica Vegetale (già Istituto di Genetica, fondato dal Prof. F. D’Amato nel 1961) hanno riguardato la mutagenesi sperimentale, la poliploidia nella differenziazione cellulare e nella riproduzione, la variabilità genetica indotta dalla coltura di cellule e tessuti vegetali. Negli ultimi anni il gruppo di ricerca di Genetica e Genomica ha sviluppato studi su diverse linee di ricerca:

1) Struttura ed evoluzione del genoma dei vegetali

In questo ambito sono stati sequenziati i genomi di diverse specie vegetali (fico, olivo, mora, Potentilla micrantha) ed è stata studiata la componente ripetitiva del genoma, con particolare riferimento ai retrotrasposoni, caratterizzati con approcci genomici e bioinformatici e studiati in relazione alla possibilità di originare nuovi geni. I ricercatori del DiSAAA-a coinvolti sono Andrea Cavallini, Lucia Natali, Tommaso Giordani, Flavia Mascagni, gli assegnisti Gabriele Usai e Alberto Vangelisti, i dottorandi Maria Ventimiglia e Samuel Simoni. Alcuni di questi genomi vengono studiati in collaborazione con altre istituzioni: Istituto di Genomica Applicata di Udine (Michele Morgante); CREA Genomica e Bioinformatica (Luigi Cattivelli); Scuola Superiore S. Anna di Pisa (Andrea Zuccolo); Department of Genetics, Genomics and Breeding, NIAB-EMR, East Malling, UK (Dan Sargent); University of Cordoba, Spain (Concepcion Munoz Diez); Università di Perugia (Marilena Ceccarelli); Università di Firenze (Matteo Buti); Istituto di Bioscienze e BioRisorse del CNR (Luciana Baldoni)

2) Miglioramento genetico del fico (Ficus carica L.) per il suo impiego nell’area mediterranea

FIGGEN è un progetto triennale promosso dal programma PRIMA (Partnership for Research and Innovation in the Mediterranean Area) sostenuto dall’Unione Europea e coordinato da Tommaso Giordani (DiSAAA-a). L’ambizione è quella di rendere il fico una delle colture più adatte e redditizie dell’area mediterranea in un contesto di cambiamento climatico, realizzando una selezione su base molecolare per ottenere colture tolleranti molteplici stress abiotici, migliorando la produttività, l’efficienza e la sostenibilità dei sistemi agricoli, in un contesto partecipativo che coinvolge i principali attori della catena del valore seguendo un approccio transdisciplinare in cui le conoscenze socio-economiche e i recenti progressi scientifici nella valutazione della biodiversità saranno combinati con le conoscenze tradizionali di stakeholder pubblici e privati locali.

Oltre al coordinatore del progetto, Tommaso Giordani, partecipano alle ricerche i docenti Andrea Cavallini, Lucia Natali, Flavia Mascagni, Michele Moretti, gli assegnisti Gabriele Usai e Alberto Vangelisti, i dottorandi Tarek Allali e Marco Castellacci. Le altre unità di ricerca del progetto includono la Université de Tunis El Manar, Tunisia (Amel Hannachi), la Cukurova University, Turchia (Ayzin Küden), la Agencia Estatal del Consejo Superior de Investigaciones Cientificas, Spagna (Inaki Hormaza) e il Centro de Investigaciones Cientificas y Tecnologicas de Extremadura (Margarita Lopez-Corrales).

Il logo del progetto FIGGEN.

3) Basi genetico-molecolari della tolleranza a stress abiotici e biotici in specie erbacee e arboree

La risposta delle piante a diverse condizioni ambientali viene studiata analizzando l’espressione genica e identificando, con analisi trascrittomiche e mediante qRT-PCR, geni specificamente espressi o repressi. In particolare, vengono studiate l’espressione genica nella simbiosi micorrizica, in lattuga e girasole e i geni indotti e repressi in fico in seguito ad esposizione prolungata alla salinità.

I ricercatori del gruppo di Genetica coinvolti sono Tommaso Giordani, Andrea Cavallini, Lucia Natali, Claudio Pugliesi, Flavia Mascagni, gli assegnisti Alberto Vangelisti e Gabriele Usai, il dottorando Samuel Simoni. Le ricerche sono svolte anche in collaborazione con altri ricercatori del DiSAAA-a (Alberto Pardossi, Luca Incrocci, Luciano Avio, Alessandra Turrini, Luciana Angelini, Silvia Tavarini, Riccardo Gucci, Giovanni Caruso, Claudio D’Onofrio). Alcuni di questi studi sono svolti in collaborazione con altre istituzioni: Rothamsted Experimental Station di Harpenden, UK (Keiwan Hassani-Pak, Robert King); Czech University of Life Sciences di Praga (Jaroslav Havlik, Anna Mascellani).

4) Basi molecolari di modifiche qualitative e di conservabilità di alimenti

In lattuga viene realizzato il gene editing mediante CRISPR/Cas di geni coinvolti nell’accumulo di acido ascorbico nella foglia. Vengono inoltre realizzate analisi trascrittomiche in frutti di pesco sottoposti a trattamenti con raggi UV, in frutti di di piante di fico irrigate con acqua salata, in frutti di fragola da piante allevate sotto diverse luci, nel latte di pecore alimentate con diete contenenti semi di lino.

I ricercatori del gruppo di Genetica coinvolti sono Tommaso Giordani, Claudio Pugliesi, Andrea Cavallini, Lucia Natali, l’assegnista Alberto Vangelisti, la dottoranda Ambra Viviani. Le ricerche sono svolte anche in collaborazione con altri ricercatori del DiSAAA-a (Annamaria Ranieri, Antonella Castagna, Marco Santin, Riccardo Gucci, Mike Frank Quartacci, Marco Landi, Lucia Guidi, Marcello Mele, Andrea Serra, Giuseppe Conte) e di altre istituzioni come la University of California-Davis (Richard Michelmore), la Czech University of Life Sciences di Praga (Jaroslav Havlik, Anna Mascellani) e l’Università di Perugia (Mariano Pauselli).

5) Analisi di mutanti dello sviluppo fiorale

Vengono realizzate analisi genetico-molecolari di mutanti della morfologia fiorale, spontanei o indotti, di girasole. I ricercatori coinvolti sono Claudio Pugliesi, Marco Fambrini e l’assegnista Gabriele Usai.

 

Infiorescenza di Helianthus annuus (A), del mutante Chry2 (B) e del mutante turf (C).

Infiorescenza di Helianthus annuus (A), del mutante Chry2 (B) e del mutante turf (C).

6) Sviluppo di biofungicidi basati sull’interferenza dell’RNA per il controllo sostenibile della muffa grigia

L’interferenza dell’RNA (RNAi) è un processo naturale, comune agli organismi eucarioti, mediante il quale piccole molecole di RNA a doppio filamento (dsRNA) silenziano l’espressione di geni in modo sequenza-specifico. Sfruttando questa specificità di sequenza, è possibile sviluppare biofungicidi a base di dsRNA per silenziare in modo mirato geni chiave dei funghi fitopatogeni.

La ricerca è coordinata da Susanna Pecchia, per il settore di Genetica sono coinvolti Claudio Pugliesi e Marco Fambrini. Partecipano alla ricerca anche la dottoranda Maria Spada e l’assegnista Diego Palpacelli.

Il gruppo di Genetica e Genomica ha a disposizione laboratori per analisi molecolari, citogenetiche e bioinformatiche. Gli strumenti disponibili per la ricerca includono server ad elevate prestazioni per l’analisi di “big data”, macchine per PCR ed RT-PCR, apparati per elettroforesi di acidi nucleici e proteine, centrifuga refrigerata e ultracentrifuga, spettrofotometro UV, microscopi. Sono inoltre disponibili una serra e camere di crescita.

Il laboratorio di Genetica e Genomica Vegetale collabora e ha contatti con importanti gruppi di ricerca nazionali e internazionali per progetti di ricerca e di formazione di dottorandi e studenti, quali ad esempio l’Arizona Genomics Institute di Tucson (USA), il Dipartimento di Botanica dell’Università di Vancouver, il Department of Computational and Analytical Sciences presso la Rothamsted Experimental Station di Harpenden (UK).

Ulteriori informazioni sull’attività del laboratorio di Genetica e Genomica Vegetale sono disponibili nel sito ad esso dedicato.

 

Meccanica agraria

Le attività di ricerca svolte in meccanica agraria riguardano molteplici aspetti tra cui il controllo fisico delle infestanti in agricoltura biologica, integrata e in area urbana e la disinfezione del terreno con vapore attivato. Sono inoltre affrontate le tematiche della meccanizzazione dell’agricoltura eroica, l’impianto di specie da tappeto erboso e la gestione dello sfalcio con attrezzature innovative come rasaerba elettrici a batteria e robot. Altre tematiche di ricerca riguardano lo sviluppo di operatrici automatiche per il controllo fisico sito-specifico e a rateo variabile delle infestanti, da impiegare con unità terrestri autonome. La più recente tematica di ricerca ha riguardato la progettazione e la realizzazione di macchine in grado di coniugare il binomio “agricoltura conservativa, agricoltura biologica”, consentendo di adottare sistemi di produzione tali da massimizzare la conservazione della fertilità del terreno.

     

Da sinistra a destra: Macchina per la disinfezione del terreno in banda, utilizzata per ridurre la banca semi di infestanti del terreno in corrispondenza della fila della coltura; Macchina operatrice automatica per il controllo fisico sito-specifico e a rateo variabile delle infestanti; Trattamento con vapore per il disseccamento del tappeto erboso in conversione.

Il gruppo di meccanica agraria ha a disposizione un laboratorio attrezzato con le principali macchine normalmente disponibili presso un’officina (trapani, tornio, saldatrici, mole, piegatrici, troncatrici, flessibili, etc.), necessarie per costruire prototipi o modificare macchine esistenti. Sono inoltre presenti strumenti per la misura dello sforzo di trazione (dinamometro) e della coppia motrice (torsiometro), strumenti necessari per il rilievo delle erbe infestanti, nonché molti strumenti per il rilievo delle caratteristiche operative dei cantieri di lavoro. E’ poi presente un banco prova per effettuare trattamenti in ambiente controllato di pirodiserbo nonché numerosi strumenti per la misura della temperatura del terreno (termometri digitali, data logger, sonde K e PT100).

Il gruppo collabora e ha contatti con numerosi enti di ricerca nazionali ed internazionali tra cui l’Università di Firenze, di Torino e di Bologna, lo CSIC di Madrid (E), l’Université LaSalle di Beauvais (F) e l’University of Nebraska (USA).

Microbiologia agraria, alimentare e ambientale

Le principali attività di ricerca svolte presso i laboratori di Microbiologia Agraria, Alimentare e Ambientale (già Istituto di Microbiologia Agraria, fondato dal Prof. Renato Perotti nel 1924), hanno riguardato lo studio del ruolo dei microrganismi in: produzione primaria, conservazione della fertilità biologica del suolo, cicli biogeochimici, nutrizione delle piante, processi trasformativi e conservativi degli alimenti. In anni recenti il gruppo di ricerca di Microbiologia Agraria, Alimentare e Ambientale ha sviluppato studi su:

i) diversità di funghi micorrizici, simbionti benefici delle piante, attraverso analisi strutturali, genetiche e funzionali, ai fini della selezione di ceppi efficienti per la conservazione e l’incremento della fertilità biologica dei suoli;
ii) isolamento e caratterizzazione genetica e funzionale di batteri benefici del suolo -Plant Growth Promoting- per le loro capacità di fissare azoto, produrre ormoni, antibiotici e siderofori e solubilizzare fosfati;
iii) diversità genetica e funzionale di batteri lattici e lieviti nelle produzioni alimentari, per la selezione di starters efficienti, anche ad attività nutraceutica;
iv) uso di microrganismi benefici per la coltivazione delle piante, il biorisanamanto e per incrementare il valore nutraceutico degli alimenti.

Principali tematiche di ricerca del gruppo di Microbiologia Agraria, Alimentare e Ambientale.

Il gruppo di ricerca in Microbiologia Agraria, Alimentare e Ambientale dispone di strumentazioni per analisi microbiologiche (microscopi stereoscopici, ottici, a epifluorescenza, cappe biohazard, microtomo congelatore, termostati/incubatori, autoclavi, ultrafreezers), molecolari (strumenti per PCR, RT-PCR, elettroforesi orizzontale/pulsata/DGGE e acquisizione e analisi d’immagine, centrifughe refrigerate), funzionali (spettrofotometro, HPLC, cappe chimiche), e di una serra e una camera di crescita.

Il gruppo di microbiologia collabora con importanti gruppi di ricerca nazionali e internazionali, per progetti di ricerca e formazione di dottorandi, quali: Libera Università di Bolzano, Università degli Studi di Bari, IBBA-CNR, CREA, ISPRA, Estación Experimental del Zaidín-Granada-Spagna, University of Copenhagen-Danimarca, University of Helsinki-Finlandia, Agroscope-Wadenswill-Svizzera), University of Ottawa-Canada.

Patologia vegetale

I docenti e ricercatori del settore della Patologia vegetale operano in due sedi (una nel complesso di Via del Borghetto a Pisa e l’altra a San Piero a Grado) e perseguono tre linee di attività fondamentali.

1) Il “Plant Pathology & Mycology Lab” si occupa di funghi patogeni e di funghi benefici delle piante. Negli ultimi anni le attività hanno riguardato, tra l’altro:
(a) biologia, filogenesi, identificazione e diagnostica di funghi fitopatogeni, con particolare riferimento aimicotossigeni e a patogeni emergenti; strategie non convenzionali per la difesa dai patogeni tellurici (DMDS, biofumigazione);
(b) biologia e attività fitoiatrica di funghi benefici da utilizzare nella difesa delle colture e studio dei loro meccanismi d’azione con approcci che vanno dalle tradizionali tecniche in vitro fino al genome editing.
Il gruppo dispone di competenze e laboratori per indagini molecolari, microbiologiche, microscopiche e bioinformatiche. Gli strumenti disponibili includono termociclatori per PCR e RT-PCR, centrifughe refrigerate, lettori spettrofotometrici tipo ELISA, microscopio e stereomicroscopio a fluorescenza con acquisitore d’immagini e camere di crescita.

2) Le principali tematiche di ricerca svolte presso il “Laboratorio di Virologia vegetale” sono: (a) diagnosi, epidemiologia, caratterizzazione genetica e filogenesi di agenti a eziologia virale e fitoplasmale delle principali colture arboree ed erbacee;
(b) elettrofisiologia per lo studio di trasporti trans-membrana di molecole fitoteraupetiche nei confronti di malattie a eziologia virale e fungina. Il gruppo dispone di competenze, laboratori e strumentazioni per indagini molecolari (PCR end point e Real Time), immunoenzimatiche (ELISA) e bioinformatiche. La strumentazione include anche centrifughe refrigerate, fotometri, micromanipolatore, amplificatore amperometrico, camere di crescita e screenhouse.

               
Da sinistra a destra: Sintomo di antracnosi (arricciamento) causato da Colletotrichum lupini su ipocotile di lupino. Sintomi fogliari su vite cv. Sangiovese infetta da Legno Nero. Localizzazione di cellule morte (colorate con Evans blu) in foglia di Quercus ilex sottoposta a stress idrico e a trattamento con ozono (200 ppb per 5 ore). Barra = 50 µm.

3) Il “Laboratorio di fisiopatologia vegetale e fitotossicologia” opera secondo le seguenti linee principali:
(a) meccanismi ecofisiologici, biochimici e molecolari di risposta e adattamento allo stress ossidativo di piante vascolari e licheni; la ricerca si inserisce in un quadro più ampio di studio del cambiamento climatico in relazione alle alterazioni a carico del processo fotosintetico, del metabolismo secondario e dei sistemi detossificanti;
(b) casi fitopatologici, in particolare con approcci non invasivi per la diagnosi delle carie del legno in piante ornamentali legnose;
(c) uso di bioindicatori di inquinamento atmosferico. Il gruppo dispone di impianti per fumigazioni e per lo studio di effetti precoci dello stress sull’apparato fotosintetico nelle sue componenti fisiologiche (fluorimetro e altri strumenti non invasivi) e biochimiche (spettrofotometria / fluorimetria / radiometria e cromatografia). Dispone di laboratori di biologia molecolare, di microscopia ottica ed elettronica.

Scienze e tecnologie alimentari

I docenti e ricercatori del settore delle Scienze e Tecnologie Alimentari si interessano delle tematiche di natura biologica, chimica, fisica, tecnologica e sensoriale alla base delle operazioni e dei processi della filiera agroalimentare: dall’approvvigionamento delle materie prime alla commercializzazione, distribuzione e somministrazione dei prodotti alimentari, includendo lo sviluppo di nuovi prodotti e nuovi processi. Le competenze di questo settore riguardano, quindi, le operazioni e i processi della tecnologia alimentare, la tecnologia del condizionamento, del confezionamento e della distribuzione degli alimenti, la shelf life, la composizione, le analisi chimiche e la valutazione delle proprietà fisiche e sensoriali degli ingredienti/materie prime e dei prodotti trasformati, l’utilizzo e il controllo di additivi e residui, la gestione, il controllo e la certificazione della qualità, della sicurezza e dei processi e il trattamento dei reflui dell’industria alimentare.

In particolare il gruppo di ricerca si occupa delle seguenti linee di ricerca:

  • Valorizzazione dei prodotti della filiera dell’olivo: olive, olio e scarti di produzione
  • Valorizzazione dei prodotti della filiera del Pane a lievitazione naturale
  • Valorizzazione dei prodotti della filiera della vite: uve, vini e scarti di lavorazione
  • Valorizzazione dei prodotti della filiera degli agrumi
  • Valorizzazione delle Alofite
  • MOCA – Materiali e Oggetti a Contatto con gli Alimenti
  • Analisi sensoriale, attraverso il Comitato di assaggio (Panel) del DiSAAA-a
  • Sviluppo e impiego di sensori avanzati per l’analisi non distruttiva di prodotti alimentari.

I ricercatori del settore operano presso due sedi (una nel complesso di Via del Borghetto a Pisa e l’altra presso il Centro di ricerche vitivinicole di San Piero a Grado) utilizzando i laboratori convenzionali per le analisi chimico-composizionali e sensoriali degli alimenti, ma dispongono anche di un frantoio e una cantina sperimentali.

Il gruppo svolge le proprie ricerche collaborando attivamente con ricercatori del DiSAAA-a e di altre strutture di ricerca nazionali ed internazionali quali:

  • GRAEV Gruppo di Robotica, Automazione e Computer Vision dell’Università di Jaèn (Spagna)
  • Consorzio Polo Tecnologico La Magona
  • Italprogetti S.p.a.
  • NEST (Scuola Normale Superiore)
  • Dipartimento di Farmacia dell’Università di Pisa
  • Consorzio Pane Toscano a Lievitazione Naturale
  • IASA, International Academy of Sensory Analysis (BS)
  • Centro Studi Assaggiatori (BS)
  • INFN – Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
  • Nexfood (start up dell’Università di Pisa)
  • Dipartimento per la Innovazione nei Sistemi Biologici, Agroalimentari e Forestali dell’Università degli Studi della TUSCIA

Alcuni dei prodotti alimentari sviluppati dal gruppo di Tecnologie Alimentari

Sensoristica e modellistica agro-idrologica

Il settore di ricerca in Sensoristica e Modellistica Agro-Idrologica applica le attuali e innovative competenze idrauliche e idrologiche per il dimensionamento sostenibile degli impianti e degli interventi irrigui alla scala di pianta e/o campo. Le motivazioni che animano l’avanzamento delle attività sperimentali sono solide al nesso energia-acqua-cibo e all’importanza che assume la massimizzazione dell’efficienza idrica ed energetica all’interno delle convergenti crisi e competizioni sociali destinate ad acuirsi in periodi di ridotta disponibilità idrica di un territorio.

La strategica integrazione con i settori di ricerca a base agronomica permette di considerare la gestione ottimale dell’irrigazione in modo integrato, contemplando anche la gestione dello stress idrico colturale, piuttosto che evitarlo, attraverso l’uso delle più moderne strategie di deficit idrico controllato.

I filoni di ricerca sono:
i) monitoraggio dello stato idrico del sistema continuo suolo-pianta-atmosfera mediante strumentazioni e tecniche innovative quali la spettroradiometria di campo, la sensoristica agro-idrologica e la micrometeorologia;
ii) sviluppo di funzioni di stress idrico-salino in sistemi colturali sparsi;
iii) applicazione della modellistica (numerica e funzionale) agro-idrologica e spettrale per la previsione dello stato idrico del sistema suolo-pianta e la gestione esperta degli interventi irrigui alla scala di pianta e/o azienda;
iv) utilizzo di procedure semplificate per la calibrazione sito-specifica di sensori per la misura dello stato idrico del suolo.

       

All’interno del Dipartimento, l’unità di ricerca coordina il Laboratorio di Sensoristica e Modellistica Agro-idrologica (Laboratory of Agro-hydrogical Sensing and Modeling), dotato di strumenti per lo sviluppo di sistemi di sensori analogici e/o digitali per il monitoraggio dello stato idrico del sistema suolo-pianta, di banchi prova per la pressometria e flussimetria delle reti irrigue e del sistema suolo-pianta, nonché di software suite per la scrittura di codici e la modellizzazione multivariata dei dati. Inoltre, il laboratorio fornisce servizi per lo sviluppo di reti di sensori agro-ambientali che utilizzano elettronica open-source e si sviluppano alla scala di azienda.

 

Viticoltura

Le principali linee di ricerca in viticoltura svolte presso il Laboratorio di Ricerca Viticolo del DiSAAA-a (ex Podere Cipollini, San Piero a Grado – Pisa), nei vigneti sperimentali dell’azienda Colignola del DiSAAA-a (località Colignola, San Giuliano Terme, Pisa) e in collaborazione con aziende vitivinicole toscane (ColleMassari, Banfi, Barone Ricasoli) sono le seguenti:

– recupero, salvaguardia, descrizione, caratterizzazione e valorizzazione del germoplasma viticolo autoctono e gestione del Database Viticolo Italiano (https://vitisdb.it/)

– origine e filogenesi dei vitigni della piattaforma ampelografica italiana

– caratterizzazione funzionale di geni delle vie biosintetiche dei metaboliti secondari che determinano la qualità delle uve

– tecniche innovative per la gestione degli stress abiotici in vigneto

– effetti di biostimolanti sulla qualità delle uve

– studio dei processi di micropropagazione e rigenerativi in vitro delle specie arboree da frutto

 

 

Zootecnia e produzioni animali

Il settore della Zootecnica e delle Produzioni Animali si interessa dei seguenti temi di ricerca:

  1. Qualità del latte e dei prodotti lattiero caseari, con particolare attenzione alla composizione in acidi grassi e alle proprietà nutrizionali e funzionali del grasso.
  2. Qualità della carne, influenza dell’alimentazione e dei sistemi di allevamento sulla composizione in acidi grassi del grasso intramuscolare, adottando approcci nutragenetici.
  3. Principali fattori che influiscono sull’ossidazione lipidica.
  4. Effetto dei fattori genetici e ambientali sulla composizione del grasso del latte.
  5. Studio degli effetti dei polimorfismi genici sulla composizione in acidi grassi del latte.
  6. Metabolismo lipidico nel rumine ee effetti del regime alimentare, con particolare engasi sull’uso di polifenoli nella dieta.
  7. Sostenibilità dei sistemi di allevamento e mitigazione degli effetti ambientali, con particolare riferimento all’emissione di metano.
  8. Applicazione del sistema Agroforestry.

Le attività elencate precedentemente vengono svolte dal gruppo di ricerca in collaborazione con aziende zootecniche toscane e non, caseifici, aziende mangimistiche. Inoltre è molto attiva la collaborazione con e colleghi delle principali Università e centri di ricerca nazionali (Milano, Bologna, Firenze, Perugia, Padova, Catania, Palermo, Sassari, Università della Tuscia, Università del Molise, CREA) e internazionali.

I ricercatori del settore utilizzano i laboratori convenzionali e “a cielo aperto” (campi sperimentali) e la stalla del Centro di Ricerche Agro-ambientali “Enrico Avanzi” (CiRAA) situati in località San Piero a Grado.

Figura 1. Vitelloni di razza Maremmana

Figura 2. Pecorini della prova porva per l’arricchimento in omega-3

Figura 3. Vacche di razza Frisona Italiana in corsia di alimentazione