Come respirano le piante

C’è sempre una prima volta. Anche e soprattutto nel mondo scientifico, quando una scoperta, svela un’ipotesi frutto di un lungo studio o magari la smentisce. Lo spunto che ha ispirato la ricerca degli scienziati dell’Università dell’Illinois, negli Stati Uniti, è banale, ma essenziale: ogni essere vivente respira, anche le piante giorno e notte, ma fino ad oggi non era stato possibile filmare questa attività fisiologica. Ora, un team americano ha sviluppato una tecnologia che combina microscopia avanzata, misurazione dei gas e intelligenza artificiale e consente di filmare ed allo stesso tempo misurare lo scambio gassoso che si verifica in tempo reale su una foglia viva.

Stomata In-Sight è il nome della tecnologia spiegata nel dettaglio sulla rivista Plant Physiology che consente agli esperti di biologia vegetale di osservare gli stomi, microscopici pori o aperture presenti sull'epidermide delle piante, principalmente sulla parte inferiore delle foglie, in cui l'ossigeno entra e l'anidride carbonica esce.Questa innovazione potrebbe rivelarsi fondamentale in agricoltura per sviluppare colture resistenti alla siccità. Infatti, se osserviamo le foglie di una pianta dall’esterno, queste sembrano immobili, ma sotto la superficie si verifica un processo continuo e molto delicato che consente di assorbire l'anidride carbonica - indispensabile alla fotosintesi clorofilliana - tramite le minuscole bocche microscopiche, gli stomi.

I ricercatori dell’ateneo americano hanno “inseguito” questo fenomeno e sono riusciti a filmare gli stomi in azione, che come delle bocche vegetali regolano lo scambio di gas e vapore acqueo tra l'interno della pianta e l'ambiente esterno. Un funzionamento che possiamo immaginare, perché simile a quello umano. Anche noi, se respiriamo con la bocca al posto del naso, inspirando catturiamo ossigeno e soffiamo via anidride carbonica. Questo fenomeno non poteva essere osservato nella sue interezza: infatti, l’osservazione poteva concentrarsi o sulla struttura fisica degli stomi al microscopio oppure sulla misurazione della respirazione complessiva della foglia tramite sensori di gas. “Tradizionalmente abbiamo dovuto scegliere tra vedere gli stomi o misurarne la funzione” il commento di Andrew Leakey, professore di biologia vegetale dell’Università dell’Illinois, tra gli autori dello studio, perché non era mai stato possibile combinare le due analisi simultaneamente senza alterare lo stato della pianta.

Stomata In-Sight permette di superare questo limite integrando un microscopio ad alta risoluzione con una camera di misurazione gassosa e algoritmi di machine learning. Mantenendo la foglia viva e intatta, i ricercatori possono variare le condizioni ambientali — come intensità luminosa, temperatura, umidità e livelli di CO2 — e registrare la reazione immediata della vegetazione. Sperimentato su foglie di mais, il sistema ha dimostrato che analizzare un campione di circa 40 stomi è sufficiente per rappresentare con estrema precisione il comportamento respiratorio dell'intera foglia.

Un esperimento reso possibile dall’implementazione dell’IA, che ha eseguito un lavoro davvero titanico. Pensiamo a quello che sarebbe stato tracciare manualmente il movimento e la variazione di diametro di decine di stomi per diverse ore. Invece, tramite l’automatismo reso possibile dall’IA, i ricercatori hanno addestrato la macchina a riconoscere i pori stomatici dalle immagini catturate e stimare la facilità con cui vapore acqueo e gas attraversano la superficie fogliare.

La comprensione della dinamica con cui le piante respirano, apre la strada all'agricoltura di precisione del futuro. Vediamo sotto i nostri occhi, quanto i cambiamenti climatici stiano accelerando la loro portata anno dopo anno. L’estate 2026 la più calda di sempre, aumenta la siccità, si impoveriscono le risorse idriche. Anche le piante devono adattarsi per sopravvivere. I sistemi di irrigazione intelligente e i modelli agronomici si basano su stime macroscopiche del clima e dell'umidità del suolo, in cui i processi sono rappresentati da medie e parametri ricavati dagli scambi dell’intera foglia, perché trattano le coltivazioni come insieme omogeneo.

Invece integrando i dati dettagliati forniti da questa tecnologia, ad esempio, gli agronomi potrebbero comprendere l'impatto dello stress idrico su ciascuna varietà vegetale nelle diverse fasi di crescita. L’Università dell’Illinois ha già depositato il brevetto sulla tecnologia di Stomata In-Sight, sperimentato finora in condizioni controllate, ma che dovrà essere testato ed utilizzato su altre varietà e specie in condizioni ambientali reali, per comprendere come ottimizzare ogni goccia d’acqua e spingere al massimo la resa dei campi.