Settori di ricerca

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

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).


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.

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

  1.  la struttura del genoma e la sua evoluzione, con particolare riferimento alla componente ripetitiva del genoma come i retrotrasposoni, caratterizzati con approcci genomici e bioinformatici;
  2.  le basi genetico-molecolari della tolleranza a stress abiotici e biotici in specie erbacee, forestali e marine, affrontati con analisi trascrittomiche e con la creazione di librerie differenziali di cDNA;
  3.  lo sviluppo delle piante, mediante analisi genetico-molecolari di mutanti spontanei o indotti.
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).

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’Istituto di Genomica Applicata di Udine, 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.


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.

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