Il laboratorio integra attività di ricerca, di didattica e di servizio, sviluppate allo scopo di innovare, in maniera sostenibile, il dimensionamento idraulico-idrologico degli impianti e degli interventi irrigui alla scala di pianta e/o azienda.

Le motivazioni che animano l’avanzamento delle attività 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.

Le competenze sui sistemi e sui protocolli di monitoraggio e di gestione dello stato idrico del continuum suolo-pianta-atmosfera permettono di considerare la gestione della risorsa idrica in maniera esperta, contemplando anche la gestione dello stress idrico colturale piuttosto che evitarlo.

I ricercatori del laboratorio collaborano con i gruppi di ricerca di Riego Deficitario Controlado y programación del riego en base a sensores e di Métodos avanzados de estimación de necesidades de agua de los cultivos, afferenti al Departamento de Ingeniería Rural y Agroalimentaria, Universitat Politècnica de València.

Inoltre, il laboratorio è collaudatore di un sistema di monitoraggio dell’umidità e della temperatura del suolo, AgriNET, progettato dalla Tuctronics (154 East Grumman Avenue Walla Walla, WA 99362, USA).

Le principali linee di ricerca riguardano:

• sviluppo di sistemi di monitoraggio e di gestione dello stato idrico del continuum suolo-pianta-atmosfera mediante la spettroradiometria di campo, la sensoristica agro-idrologica e la micrometeorologia;
• sviluppo di funzioni di stress idrico-salino per sistemi colturali sparsi e per colture in vaso;
• applicazione della modellistica 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;
• sviluppo di procedure semplificate per la calibrazione sito-specifica di sensori per la misura dello stato idrico del suolo;
• studio ed implementazione di reti di sensori wireless interfacciabili in Internet.

Il laboratorio dispone di tecnici specializzati per la programmazione e l’implementazione di microcontrollori su piattaforme embedded anche di tipo open-source.

Inoltre il Laboratorio è 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 e attrezzature per la pressiometria e la flussimetria delle reti irrigue e del sistema suolo-pianta, nonché di software suite per la scrittura di codici e la modellizzazione multivariata dei dati.

Link al sito di laboratorio.

I funghi patogeni sono la principale causa di perdite di produzione anche nelle economie più avanzate; il loro studio è di primaria importanza per garantire una difesa sostenibile delle produzioni. Inoltre, il settore dei prodotti fitosanitari a base biologica sta attirando l’interesse delle principali multinazionali chimiche. Anche l’Unione Europea, con il Regolamento UE 1107 del 2009, la Direttiva 2009/128/CE e Horizon 2020, sta dando forte impulso al settore.

Alcuni generi di funghi frequentemente presenti nella rizosfera, attraverso complessi meccanismi d’azione, possono limitare la crescita di funghi patogeni contenendo lo sviluppo di malattie, e instaurare associazioni mutualistiche con le piante. La colonizzazione dell’apparato radicale, da parte di questi funghi, si traduce spesso in un incremento nello sviluppo e nella produttività delle piante e/o nell’induzione di resistenza nei confronti di stress biotici o abiotici.

La bioattività degli oli essenziali (attività antifungina, antibatterica, antivirale) estratti da piante officinali è un argomento di ricerca estremamente indagato ed attuale. Tuttavia, la loro attività insetticida e/o repellente è ancora poco nota, per quanto negli ultimi tempi i contributi scientifici sull’argomento si siano intensificati.

La protezione delle colture dalle infestazioni di insetti fitofagi può attuarsi  attraverso la promozione di strategie di protezione integrata. Diverse centinaia di feromoni sessuali sono stati identificati nei lepidotteri e largamente utilizzati in pieno campo per il monitoraggio, la cattura massale e la confusione sessuale. Quest’ultima tecnica è ormai impiegata in tutto il mondo ed è in forte espansione. Tale metodo di controllo biologico non ha invece trovato applicazione nei confronti di ditteri tefritidi a causa del loro complesso comportamento riproduttivo. Inoltre, nulla di simile esiste per gli insetti (circa 30.000 specie note) che affidano la loro comunicazione non agli odori, ma alle vibrazioni via substrato.

Il laboratorio DifCrop possiede riconosciute competenze nel settore della identificazione e studio di microfunghi patogeni e benefici (questi ultimi utilizzabili nella difesa delle colture), nello studio delle interazioni pianta-insetto, dell’attività insetticida di oli essenziali e dei rapporti virus/specie vettrici in relazione a patologie virali simil-virali e fitoplasmali. I ricercatori del laboratorio DifCrop collaborano con gruppi di ricerca italiani e stranieri, in un’ottica interdisciplinare che vede il coinvolgimento di agronomi, biologi molecolari e chimici.

Le ricerche in atto presso il laboratorio DifCrop riguardano:

1) studio dei funghi patogeni delle piante e dei microfunghi benefici per la difesa delle colture; studio di patogeni fungini trasmessi per seme;

2) studio della tossicità/repellenza degli oli essenziali e di altri composti naturali nei confronti di insetti di interesse agrario, medico-veterinario e dannosi per le derrate conservate;

3) applicazione di strategie feromonali (confusione sessuale) e di lotta biologica inoculativa e conservativa per il controllo di lepidotteri ed emitteri dannosi alla vite;

4) strategie innovative per il controllo integrato di insetti dannosi alla vite e all’olivo. Studi sulla comunicazione vibrazionale di emitteri dannosi alla vite per la messa a punto di tecniche di interferenza sonora (confusione sessuale vibrazionale);

5) studio della flora visitata dagli insetti impollinatori, con particolare riferimento alla specie floreali di interesse apistico; studio della qualità nutrizionale dei prodotti dell’alveare;

6) studio dell’influenza della variabilità genetica del foveavirus GRSPaV sulla espressione sintomatologica della necrosi delle nervature della vite;

7) verifica dell’applicabilità di trattamenti con vapore e della “solarizzazione” del terreno per il contenimento di funghi patogeni ad “habitat” tellurico di pieno campo ed in coltura protetta.

Le Unità di Ricerca afferenti al laboratorio DIFCROP sono le seguenti.

UR MICOLOGIA e PATOLOGIA VEGETALE

Il gruppo di ricerca sulla micologia e patologia vegetale si occupa da anni dello studio di microfunghi patogeni per le piante e di microfunghi benefici impiegabili come principi attivi di prodotti fitosanitari e biostimolanti per una gestione sostenibile della difesa delle colture. Le ricerche riguardano, da un lato, la biologia, la biologia molecolare, l’epidemiologia, la filogenesi, la diagnostica molecolare e le interazioni patogeno/ospite di funghi patogeni per le piante, dall’altro la selezione, lo studio e lo sviluppo pre-industriale di microfunghi da impiegarsi come principi attivi di prodotti fitosanitari o di biostimolanti. Alcuni di questi microrganismi hanno superato la fase di selezione e sono maturi per una valutazione industriale. In particolare sono stati selezionati microfunghi in grado di stimolare la crescita e/o difendere le colture da attacchi parassitari, per colture floro-vivaistiche, pomodoro e frumento. In quest’ultimo caso, la difesa è contro la fusariosi della spiga, con riduzione dell’accumulo di micotossine e, quindi, ripercussioni positive sulla salubrità deglialimenti.

UR ENTOMOLOGIA AGRARIA

Il settore di Entomologia agraria conduce (a) ricerche relative all’attività insetticida e repellente di oli essenziali estratti da piante officinali nei confronti di insetti di interesse agrario, medico-veterinario e dannosi agli alimenti in fase di stoccaggio. La bioattività degli oli essenziali permette di intravedere possibilità pratico-applicative interessanti, quali la sostituzione in varie tecniche di lotta integrata degli insetticidi di sintesi correntemente impiegati e/o l’utilizzo delle sostanze naturali ad attività repellente per la protezione personale contro i culicidi oltre che contro varie specie di insetti delle derrate. (b) Studio della ecologia comportamentale di agenti di controllo biologico e di insetti fitofagi di importanza agraria e medico-veterinaria, con particolare riferimento alle interazioni tra pianta, fitofagi e parassitoidi. (c) Studio della flora visitata dagli insetti impollinatori, con particolare riferimento alle specie floreali di interesse apistico (bee-friendly flowerstrips) e indagini sulla qualità nutrizionale dei prodotti dell’alveare. (d) Identificazione dei segnali vibrazionali emessi da maschi rivali per interferire con il duetto sonoro in atto tra un maschio ed una femmina e la riproduzione di tali segnali in condizioni di semi-campo e di pieno campo mediante opportune strumentazioni. I risultati estremamente incoraggianti stanno aprendo la strada ad un possibile nuovo sistema di controllo di insetti dannosi. La sfida è affrontata, ad oggi, in stretta collaborazione con l’industria, per ottenere strumenti vibranti capaci di trasferire sui filari di vite i segnali vibrazionali a distanza più grande possibile.

UR VIROLOGIA VEGETALE

Il settore di Virologia Vegetale svolge ricerche relative ai rapporti virus/specie vettrici, alle patologie virali simil-virali e fitoplasmali delle drupacee, della vite e dell’olivo, e all’individuazione di germoplasma resistente e/o tollerante a tali patologie

Il consumatore oggi è sempre più attento e orientato verso acquisti consapevoli e nel concetto di qualità dei prodotti agroalimentari sono compresi anche valori quali la sostenibilità ambientale e sociale della produzione agricola. Il mondo scientifico e della ricerca, e di riflesso l’agricoltura, hanno riservato negli ultimi anni grande attenzione a temi trasversali come la sicurezza alimentare, la tracciabilità delle produzioni, la qualità dei prodotti e il rispetto dell’ambiente. Attualmente la produzione agricola, pur sana e genuina, non potrà essere più disgiunta dalla protezione delle risorse naturali, dallo sfruttamento sostenibile e dallo sviluppo equilibrato del territorio.

Il laboratorio EcoCropSciences possiede riconosciute competenze nello studio di sistemi colturali sostenibili per le produzioni alimentari e non alimentari.

I ricercatori del laboratorio EcoCropSciences collaborano con gruppi di ricerca italiani e stranieri, in un’ottica interdisciplinare che vede il coinvolgimento di agronomi, ingegneri e di figure professionali che operano nel settore energetico e ambientale.

Le principali linee di ricerca riguardano:

1) studio della diversificazione colturale, mediante l’introduzione di nuove colture ai fini di aumentare le performances agro-ambientali dei sistemi colturali e l’efficienza economica;

2) studio della conservazione delle risorse naturali attraverso ricerche agronomiche di lungo periodo che, con l’attuazione e la verifica di modelli matematici, permettano di prevedere l’effetto combinato di tecniche agronomiche e cambiamenti climatici sulla produttività delle colture e le variazioni nel tempo del carbonio organico del terreno;

3) conservazione e valorizzazione della biodiversità, attraverso lo studio di varietà erbacee  e arboree locali per un’attività agricola più rispettosa dell’ambiente;

4) studio delle innovazioni agronomiche in campo olivicolo relative alla fattibilità di oliveti ad altissima densità che consentono la meccanizzazione integrale della raccolta, con riduzione significativa dei costi di produzione;

5) studio del rapporto tra disponibilità idrica nel suolo, produttività, caratteristiche analitiche e sensoriali dell’olio, proprietà nutrizionali e nutraceutiche del frutto e dell’olio (composti fenolici, in particolare nella frazione dei secoiridoidi);

6) studio della sostenibilità dei sistemi colturali agro-energetici destinati alla produzione di bioenergia e biocarburanti;

7) studio delle innovazioni agronomiche nel settore delle colture officinali, di quelle a destinazione non alimentare e per prodotti bio-based;

8) studio di specie macroterme erbacee per la gestione ecocompatibile dei tappeti erbosi;

9) valutazione della capacità di fitodepurazione operata da tappeti erbosi e da specie ad elevatissima tolleranza alla salinità;

10) studio dei metodi per ridurre l’impatto ambientale della coltivazione delle specie orto-floro-vivaistiche, con particolare riguardo alla gestione della irrigazione e concimazione, anche alle colture fuori suolo;

11) studio della biofortificazione di ortaggi (aumento del contenuto di microelementi nella sostanza secca  come ad esempio  selenio o iodio);

12) studio della classificazione tassonomica di specie vegetali e coltivate.

Unità di Ricerca afferenti al laboratorio ECOCROPSCIENCE:

• UR AGRONOMIA (linee di ricerca 1, 2, 3, 6, 7, 8, 9)
• UR ARBORICOLTURA E OLIVICOLTURA (linee di ricerca 3, 4, 5)
• UR BOTANICA E GEOBOTANICA APPLICATE (linea di ricerca 3, 12);
• UR FISIOLOGIA VEGETALE ( linee di ricerca 3, 5);
• UR GENETICA AGRARIA (linee di ricerca 1, 3);
• UR ORTICOLTURA E FLORICOLTURA (linee di ricerca 3, 10,11);
• UR VITICOLTURA E ENOLOGIA (linea di ricerca 3).

La propagazione in vitro di organismi vegetali (micropropagazione) permette di rigenerare un individuo completo a partire da cellule o tessuti differenziati. Attraverso tale tecnica, oltre a poter operare studi di ricerca di base in condizioni controllate e a garantire la conservazione del germoplasma, è possibile ottenere individui genotipicamente e fenotipicamente identici alla pianta madre che, superata la fase di acclimatazione, possono essere trasferiti in terra o coltura fuori suolo. La micropropagazione trova un grande impiego nel settore orto e florovivaistico, nella produzione di portainnesti, in studi di miglioramento genetico, nel risanamento da virus e da patogeni. Inoltre, le colture cellulari e tissutali offrono interessanti potenzialità per la produzione di metaboliti di interesse farmaceutico, industriale, alimentare ed agrario.

La pressione antropica e i cambiamenti climatici stanno mettendo a rischio l’esistenza di numerose specie vegetali, alcune spesso poco conosciute ma di estrema importanza per il mantenimento delle catene alimentari dei diversi ambienti. Per evitarne l’estinzione occorre procedere a programmi di riproduzione e coltivazione ex-situ, cioè al di fuori del loro ambiente naturale, in modo da conservare materiale genetico vitale di entità fortemente a rischio, che potranno successivamente essere reintrodotte nelle aree oggetto di interventi di ripristino ambientale. Attraverso tecniche di micropropagazione in vitro è possibile creare una collezione di germoplasma vitale tipico della zona.

Il laboratorio PlantCellProp possiede comprovate competenze nel settore della micro-propagazione del germoplasma di piante da frutto e ortive e ornamentali. I ricercatori del PlantCellProp studiano inoltre colture di microalghe per utilizzi applicativi in programmi di risanamento ambientale e per la produzione di biomassa e collaborano con gruppi di ricerca italiani e stranieri, in un’ottica interdisciplinare che vede il coinvolgimento di agronomi, fisiologi, biologi molecolari e di figure professionali che operano nel settore ambientale.

Le principali linee di ricerca riguardano:

1) la coltura di microalghe finalizzata alla produzione di biomassa e per progetti di risanamento ambientale (raffinazione delle acque di sentina delle petroliere e trattamento delle acque marine inquinate con idrocarburi);

2) la coltura di microalghe finalizzata all’estrazione di molecole ad alto valore aggiunto come acidi grassi, pigmenti e metaboliti con attività farmacologica;

3) l’esplorazione e le interazioni dei meccanismi di crescita dei frutti, in particolare l’influenza esercitata da alcuni fitormoni (auxine e gibberelline) su tale sviluppo;

4) la valorizzazione del germoplasma viticolo toscano con l’obiettivo di utilizzare specifici vitigni per la produzione di vini richiesti dai nuovi mercati. In particolare vengono studiate le interazioni tra tecniche colturali e caratteristiche qualitative ed aromatiche delle uve in vigneto;

5) la messa punto di metodologie attendibili, tra le quali figura l’identificazione dei vitigni nei vini attraverso l’utilizzo dei marcatori molecolari a DNA;

6) la ricerca del germoplasma spontaneo, la caratterizzazione genetica, vegeto-produttiva e compositiva (potere antiossidante, amaricante e profilo aromatico), lo studio della tecnica di propagazione e del sistema di allevamento del luppolo (Humulus lupulus), essendo deficitaria, nel nostro paese, la produzione di questo ingrediente;

7) la valutazione fisico–chimica della qualità dei frutti di particolari genotipi di diverse specie frutticole (melo, pesco, actinidia, susino, albicocco) coltivate nel nostro territorio e la comparazione tra coltivazione biologica e convenzionale, al fine di determinare l’influenza del tipo di conduzione sul profilo qualitativo;

8) la creazione e la validazione di un modello feno-climatico previsionale della data di schiusura delle gemme a fiore, in funzione delle soglie di risposta alle temperature efficaci per l’uscita dall’endodormienza. Il modello che dovrà essere fisiologicamente realistico e applicabile su larga scala, rappresenterà uno strumento valido per lo studio dell’adattamento varietale nel contesto di scenari climatici futuri.

Unità di Ricerca afferenti al laboratorio PlantCellProp

UR Micropropagazione delle specie legnose

UR Micropropagazione delle specie ortofloricole

UR Micropropagazione Genetica Agraria

UR Analisi e Ricerca sulle Sementi

UR Micropropagazione delle specie legnose

L’UR micropropagazione delle specie legnose si occupa dagli anni 70 di colture di tessuti di specie arboree da frutto e ornamentali. L’attività di ricerca negli anni si è concentrata in particolare sulle indagini eco-fisiologiche dell’analisi delle variabili chimico-fisiche e biologiche che caratterizzano il micro-ambiente nei sistemi chiusi tipici delle colture in vitro sia quelli della fase di ambientamento post vitro. Per quanto riguarda l’attività le tematiche affrontate possono essere così riassunte:

• Micropropagazione e tecnologie per l’aumento dell’efficienza propagativa di specie legnose.
• Effetto della qualità e quantità della radiazione luminosa e del fotoperiodo in cella di crescita sulle diverse fasi della micropropagazione.
• Arricchimento artificiale dell’anidride carbonica all’interno dei vasi di coltura in vitro.
• Allestimento di colture in vitro per il recupero di specie da frutto o ornamentali a rischio di estinzione.
• Moltiplicazione del germoplasma di specie arboree da frutto a rischio di estinzione di interesse regionale e di specie ornamentali da individui senescenti di particolare pregio estetico o storico.
• Allestimento di sistemi colturali in vitro di specie arboree ornamentali e di portinnesti delle specie da frutto.
• Screening in vitro e induzione di variazioni somaclonali per la resistenza a stress abiotici in specie arboree.
• Miglioramento dell’efficienza della fase di ambientamento post vitro in colture arboree da frutto e ornamentali.
• Micorrizzazione in vitro di specie di interesse agrario, ornamentale e forestale.

Metodologie applicate:

• allestimento e sterilizzazione di nuove colture in vitro da materiale in vivo;
• moltiplicazione da gemme preformate (apici, meristemi, gemme laterali) e rigenerazione avventizia;
• embriogenesi somatica;
• colture cellulari;
• inoculazione in vitro e in vivo con simbionti micorrizici;
• predisposizione di protocolli e substrati di moltiplicazione in vitro;
• ambientamento in ambiente controllato.

UR Micropropagazione delle specie ortofloricole

L’UR micropropagazione delle specie ortofloricole si occupa dagli anni 70 di colture di tessuti di specie ortofloricole. L’attività di ricerca negli ultimi anni si è caratterizzata in particolare per indagini eco-fisiologiche basate sull’analisi delle variabili chimico-fisiche che caratterizzano il micro-ambiente nei sistemi chiusi tipici delle colture in vitro. Per quanto riguarda l’attività le tematiche affrontate possono essere così riassunte:

• Micropropagazione e tecnologie per l’aumento dell’efficienza propagativa di specie ortofloricole;
• Allestimento di colture in vitro virus-esenti per il risanamento di specie ortive.
• Conservazione del germoplasma di specie ortofloricole di interesse regionale e di specie spontanee a rischio di estinzione comprese le specie idrofite tipiche degli ambienti palustri;
• Allestimento di sistemi colturali in vitro di specie medicinali ed aromatiche per la produzione di metaboliti secondari.
• Screening in vitro per la resistenza a stress abiotici in specie ortofloricole e valutazione della risposta a livello genetico ed epigenetico.

Metodologie applicate:

• moltiplicazione da gemme preformate (apici, meristemi, gemme laterali) e rigenerazione avventizia;
• embriogenesi somatica;
• colture cellulari;
• costituzione di semi sintetici;
• colture in bioreattori (sistemi ad immersione temporanea, microfloating);
• colture in sistemi microponici (colture miste vivo/vitro, colture sterili su substrati inerti).

UR Analisi e Ricerca sulle Sementi

L’UR Analisi e Ricerca sulle Sementi (Laboratorio di Ricerca ed Analisi sulle Sementi, LaRAS) svolge attività di certificazione sulla qualità e la rispondenza alle norme per il commercio e l’uso delle sementi. Il LaRAS è stato fondato nell’Anno Accademico 1923/24 dal Prof. Napoleone Passerini e dal Prof. Enrico Avanzi, presso la cattedra di Agronomia e Agricoltura dell’ Istituto Superiore Agrario dell’Università di Pisa, con lo scopo di “fornire un servizio di accertamento della qualità dei semi al fine di proteggere e promuovere la produzione del seme di qualità, il commercio nazionale ed internazionale delle sementi, gli agricoltori produttori di seme ed i suoi utilizzatori”.

Dal 1924 il LaRAS è stato autorizzato dal Ministero delle Politiche Agricole, Alimentari e Forestali al rilascio dei Certificati nazionali sulle sementi. Nello stesso anno, il LaRAS è stato laboratorio accreditato dall’International Seed Testing Association (ISTA) ed autorizzato al rilascio dei Certificati Internazionali di Analisi. Dal 2000 il LaRAS ha istallato il Sistema di Qualità ed opera secondo gli Standard ISTA per l’accreditamento dei laboratori.

Il LaRAS svolge attualmente le seguenti attività:

• analisi e controllo delle sementi
• ricerca sulla eco-fisiologia del seme
• sviluppo di metodiche analitiche e di trattamenti per migliorare la qualità delle sementi
• ricerca agronomica su ecotipi locali di specie di interesse agrario
• servizi a supporto alla ricerca, alla costituzione e moltiplicazione varietale ed alla certificazione di filiera
• didattica nell’ambito dei Corsi di Laurea e di Laurea Magistrale delle Scienze Agrarie e delle Scienze Erboristiche
• tirocini, tesi di laurea e di dottorato

Collezione di semi

Presso il LaRAS è presente una importante collezione dei semi di riferimento la quale risale agli inizi del 1900. La maggior parte degli esemplari di seme è stata raccolta durante il periodo in cui fu Direttore il Prof. Enrico Avanzi, che ha proceduto alla totale verifica delle denominazioni specifiche degli esemplari della collezione. Successive “accessioni” sono avvenute dopo accurati controlli tassonomici. La collezione è organizzata per famiglie botaniche ed è costituita di esemplari di seme identificati con nomi scientifici (stabilizzati dall’ IPNI (International Plant Names Index), periodicamente aggiornati attraverso la consultazione del data base dell’IPNI. Ciascun esemplare, inoltre, viene accompagnato da altre indicazioni identificative quali sinonimi, luogo e data di provenienza, da chi e quando l’esemplare è stato inserito nella collezione. Ad oggi sono presenti circa 900 campioni suddivisi in 34 famiglie.

 

Attività

Il controllo delle sementi è finalizzato a verificarne il valore qualitative e la rispondenza alle norme sulla certificazione, il commercio e l’uso. A questo il LaRAS è ufficialmente autorizzato (Art. 27, DPR 1065/1973).

L’attività riguarda le sementi di specie cerealicole, industriali, foraggere, orticole, floricole e officinali prodotte sul territorio nazionale.

L’attività è svolta su richiesta di ditte, agricoltori moltiplicatori, aziende agricole single e/o associate.

 

Analisi

Le analisi più frequentemente effettuate presso il LaRAS sono quelle volte ad accertare la purezza specifica, la germinabilità, la presenza di semi estranei (per es. cuscuta) e l’umidità del seme, per i quali esistono specifiche prescrizioni di legge. Vengono svolte inoltre analisi biometriche sulle sementi (peso 1000 semi, peso ettolitrico, calibro)

Altre determinazioni sono effettuate per valutare ulteriori aspetti della qualità dei lotti, quali ad es. il vigore del seme (cold test, prova di conduttività, prove di invecchiamento accelerato). Questi test forniscono utili indicazioni sul valore di impianto in una larga gamma di condizioni ambientali e/o sulla idoneità alla conservazione del lotto di seme.

Altri servizi riguardano il supporto alla ricerca, alla costituzione e moltiplicazione varietale ed alla certificazione di filiera mediante selezione meccanica di piccoli lotti di seme, analisi a supporto della costituzione e dell’accertamento varietale e su prodotti derivati).

Servizi analitici sulle sementi sono offerti da altre unità del Dipartimento di Scienze Agrarie, Alimentari e Agro-ambientali (DiSAAA-a) quali analisi sanitarie sulle sementi per l’identificazione di patogeni fungini tramite tecniche tradizionali e molecolari; identificazione di insetti fitofagi delle sementi e delle derrate agrarie.

Dal 2005 il LaRAS ha affrontato lo studio delle problematiche relative al recupero ed alla conservazione delle varietà locali sia a livello nazionale che regionale. Particolare attenzione viene dedicata alla produzione del seme ai fini della costituzione e moltiplicazione varietale, preservando le stesse da possibili inquinamenti genetici. Le risorse vegetali salvaguardate (circa 60 varietà locali) sono adeguatamente conservate presso il LaRAS che è divenuto dall’autunno 2008 una Sezione della Banca Regionale del Germoplasma della Regione Toscana, portando avanti una serie di progetti relative al mantenimento, salvaguardia e valorizzazione della biodiversità vegetale.

Costituzione e mantenimento di varietà

Fin dalla sua costituzione il LaRAS ha svolto e svolge una importante attività di costituzione e mantenimento di varietà di specie di interesse agrario.

Linee di ricerca in atto presso il LaRAS:

I ricercatori del LaRas hanno in corso alcuni progetti di ricerca che riguardano i seguenti aspetti:

• Banca Regionale del germoplasma: conservazione e riproduzione di circa 60 varietà locali. Studio della diversità a livello fenotipico per definire la distinguibilità, l’uniformità, la stabilità delle varietà e accessioni erbacee tramite descrittori specifici
• Ecofisiologia della germinazione di specie coltivate ed infestanti
• Valutazione quanti-qualitativa dei semi delle malerbe per l’impostazione di strategie di controllo ecocompatibile
• Problematiche di dormienza di specie di interesse aromatico ed officinale e usi diversi
• Valutazione agronomica di ecotipi locali di specie di interesse agrario quali ad es. leguminose da granella, pomodoro, mais e cereali autunno-vernini e officinali.
• Studio dei mezzi di propagazione su diverse specie tipiche spontanee, spesso a rischio di estinzione, per poter attuare una strategia di conservazione delle risorse genetiche esistenti e riqualificare quegli habitat dove la biodiversità è fortemente minacciata.
• Supporto alla costituzione e moltiplicazione varietale ed alla certificazione di filiera

Nei paesi economicamente più sviluppati, il cibo non rappresenta più soltanto la fonte di nutrienti primari e di energia, ma contribuisce al benessere psico-fisico e alla prevenzione di importanti malattie degenerative, grazie alla presenza di composti bioattivi denominati composti nutraceutici. Negli ultimi anni, gli alimenti naturalmente ricchi o arricchiti in composti bioattivi sono stati oggetto di studio da parte della comunità scientifica, che ha coniato per loro il termine di functional foods e nutraceutical foods. Nel primo caso, la concentrazione e il tipo di composti bioattivi presenti nell’alimento sono tali da far sì che il consumo regolare dell’alimento stesso contribuisca al mantenimento di un’ottimale benessere psico-fisico dell’uomo. Nel secondo caso, studi epidemiologici hanno messo in luce l’esistenza di una correlazione positiva tra il loro consumo e la riduzione del rischio di insorgenza di malattie specifiche, quali quelle cardio-vascolari e tumorali, grazie alla capacità di attenuare o prevenire i danni dovuti a processi ossidativi responsabili dell’insorgenza di molteplici patologie.

Il laboratorio QualiNutraFood possiede riconosciute competenze nel settore della caratterizzazione della qualità degli alimenti di origine animale e vegetale e della loro valorizzazione attraverso approcci diversificati e innovativi, sia durante la produzione che la conservazione dei prodotti. I ricercatori del laboratorio QualiNutraFood collaborano con gruppi di ricerca italiani e stranieri, in un’ottica interdisciplinare che vede il coinvolgimento di agronomi, tecnologi alimentari e nutrizionisti.

Il laboratorio QualiNutraFood si suddivide in quattro unità di ricerca (UR).

UR SCIENZE ANIMALI

Nel settore delle scienze animali è stata sviluppata una notevole esperienza nello studio dei sistemi di allevamento e nella valutazione degli effetti dei diversi sistemi sulla qualità nutrizionale dei prodotti, in particolare sulle caratteristiche della frazione lipidica. Le principali linee di ricerca riguardano:

1) studio della qualità del latte e della carne in risposta a sistemi di allevamento estensivi;

2) valutazione nutrizionale del latte e della carne, strategie di miglioramento ed effetti sulla salute umana;

3) studio della frazione lipidica del latte e della carne e strategie di miglioramento;

4) valutazione nutrizionale dei sottoprodotti dell’industria agro-alimentare per l’alimentazione animale: effetti sulla qualità dei prodotti e sulla sostenibilità ambientale degli allevamenti;

5) valutazione dei sistemi di allevamento in relazione al potenziale di emissione di gas ad effetto serra (GHG) e possibili strategie di mitigazione.

Grazie alla collaborazione con il mondo della ricerca medica, sono stati messi a punto sistemi di allevamento e di alimentazione in grado di conferire agli alimenti di origine animale caratteristiche funzionali con riflessi positivi sulla salute umana e, in particolare, sulla prevenzione delle più comuni dislipidemie. Tali proprietà sono già state dimostrate per il formaggio ovino (commercializzato con il marchio “amico del cuore”, primo pecorino toscano Dop contente omega-3  e CLA) e sono in corso di valutazione per quanto riguarda la carne di agnello e la carne bovina.

UR BIOCHIMICA AGRARIA

Nel settore delle scienze vegetali sono in corso da anni studi relativi alla composizione quali-quantitativa dei prodotti orto-frutticoli e ai fattori che contribuiscono alla biodiversità fitochimica, oltre a ricerche rivolte ad incrementare il potenziale nutraceutico e la conservabilità dei prodotti. La presenza e la tipologia di composti fitochimici è influenzata da molteplici fattori genetici e ambientali, sia in fase di pre-raccolta sia di post-raccolta. La stimolazione della loro produzione può essere ottenuta mediante approcci ecosostenibili, ad esempio modificando parametri ambientali o agronomici in fase produttiva (luce, irrigazione, micorrizazione, salinità del terreno, ecc.) e/o adottando adeguate tecniche di conservazione degli alimenti. Oltre ad incrementare il valore salutistico degli alimenti, il maggiore corredo di composti bioattivi può incrementare la resistenza della pianta, o del prodotto, nei confronti di malattie ed attacchi di patogeni, con la conseguente minore necessità di utilizzo di sostanze chimiche quali pesticidi e conservanti.

Le principali linee di ricerca riguardano:

1) valutazione dell’influenza dei diversi fattori in pre-raccolta e post-raccolta sulla qualità finale del prodotto, non solo da un punto di vista organolettico, ma anche salutistico;

2) utilizzo di biopolimeri naturali (anche arricchiti con molecole bioattive antiossidanti e/o antimicrobiche) come agenti di rivestimento di prodotti alimentari freschi, finalizzato all’estensione della shelf-life e alla riduzione dell’impoverimento qualitativo del prodotto durante la conservazione;

3) valutazione di alcune tecnologie elettromagnetiche per la misura non distruttiva dei principali parametri qualitativi dei frutti;

4) applicazione di tecniche di sequenziamento di DNA e di RNA ad elevato parallelismo (Next Generation Sequencing) in studi di tracciabilità di diversi alimenti;

5) ricerca marcatori genetici dello stato di conservazione di alimenti di quarta gamma;

6) valutazione delle proprietà nutraceutiche di alimenti di origine vegetale analizzando l’espressione dei geni attivati da questi in cellule umane in coltura.

UR  MICROBIOLOGIA DEGLI ALIMENTI 

Il settore di Scienze Microbiologiche possiede consolidata esperienza nello studio della biodiversità molecolare e funzionale di lieviti, batteri e funghi filamentosi di interesse alimentare e delle applicazioni di ceppi microbici funzionali nelle trasformazioni industriali.

Lieviti, batteri e funghi filamentosi svolgono un ruolo chiave nella produzione di alimenti e bevande fermentate (formaggi, yogurt, latti fermentati, pane, vino, birra) e attraverso la produzione di vitamine, aminoacidi essenziali, peptidi bioattivi e la degradazione di fattori antinutrizionali ne incrementano le qualità organolettiche, tecnologiche, nutrizionali e nutraceutiche. Utilizzando le diverse capacità metaboliche dei microrganismi si ottengono molteplici prodotti di interesse non solo alimentare, ma anche farmaceutico e agrobiotecnologico. Tra questi, sono di particolare importanza le biomasse microbiche (SCP e POP, lievito per panificazione, colture starter, colture azotofissatrici, colture insetticide), i metaboliti primari (acidi organici, aminoacidi, alcoli, vitamine), i metaboliti secondari (antibiotici, EPS), gli enzimi ed i prodotti complessi quali vino, birra, aceto, latti fermentati, formaggio, pane.

Le principali linee di ricerca riguardano:

1) studio della biodiversità molecolare e funzionale di ceppi microbici ai fini della loro utilizzazione nella produzione e trasformazione degli alimenti;

2) Controllo di microrganismi indesiderati (veicolo di malattie di origine alimentare o causa di alterazione) negli alimenti;

3) isolamento e caratterizzazione molecolare e funzionale di ceppi probiotici, benefici per la salute umana;

4) Isolamento e identificazione di batteri lattici e lieviti caratterizzanti gli impasti acidi per la produzione di pane a lievitazione naturale e di altri prodotti lievitati da forno;

5) impiego di tecnologie innovative per la produzione di vino (iniezione di gas tecnici all’interno della massa in fermentazione) e di olio extravergine di oliva di elevata qualità (utilizzo di neve carbonica, azoto liquido, ecc.).

UR SCIENZE E TECNOLOGIE ALIMENTARI

Questa U.R. si interessa delle tematiche di natura biologica, chimica, fisica e tecnologica strettamente connesse alle operazioni unitarie e ai processi della filiera alimentare: dall’approvvigionamento delle materie prime sino alla commercializzazione, distribuzione e somministrazione dei prodotti alimentari, includendo lo sviluppo di nuovi processi/prodotti e di alimenti evoluti (alimenti funzionali, free from, ad elevato contenuto di servizio, etc).

Le competenze dell’U.R. riguardano le operazioni e i processi della tecnologia alimentare, comprendendo le tecnologie di condizionamento, confezionamento e distribuzione di alimenti e bevande. Gli aspetti di competenza, in forma integrata, riguardano: la shelf-life di materie prime,  semilavorati e prodotti finiti; la formulazione e la valutazione delle proprietà chimiche, fisiche e sensoriali di alimenti e bevande; l’identificazione ed il monitoraggio di marcatori di processo e prodotto per la valutazione della qualità o lo sviluppo di prodotto e la valutazione dell’attitudine alla trasformazione delle materie prime; l’utilizzo ed il controllo di additivi e residui; la gestione dei processi e degli impianti, inclusa la detergenza e la sanificazione; il controllo e la certificazione di qualità, la tracciabilità, la sicurezza e la sostenibilità ambientale di alimenti e bevande; la riduzione dei consumi energetici e degli sprechi; la valorizzazione dei sottoprodotti ed il trattamento dei reflui dell’industria alimentare.

Le principali linee di ricerca riguardano:
•Valorizzazione e miglioramento della frazione fenolica presente nelle olive e nei prodotti da queste ottenuti (olio extravergine di oliva e sottoprodotti di estrazione)
•Sviluppo di processi innovativi per la produzione di oli di oliva a parametri nutraceutici e organolettici controllati
•Sviluppo di nuove linee di lavorazione e di nuovi prodotti atti a valorizzare la produzione mediterranea degli agrumi
•La diffusione di costituenti indesiderati dagli imballaggi agli alimenti confezionati
•Ottimizzazione del processo di produzione e conservazione della madre acida utilizzata nella produzione dei prodotti da forno
•L’impiego di mezzi fisici nella conservazione del pane
•L’impiego di criogeni nell’estrazione di olio extravergine di oliva (brevetto n. RM2010A000617)
•La produzione di vino senza aggiunta di additivi chimici (domanda di brevetto n. 102015000048447 accolta 05-02-2018)

Il suolo, definito in passato come lo strato più esterno della superficie terrestre, è in realtà un comparto estremamente vario e in continua evoluzione, oltre ad essere uno degli habitat più ricchi di organismi di tutta la biosfera. Il suolo, come tutti i sistemi biologici, possiede una propria capacità antiossidante che può spiegare la recalcitranza dei composti umici all’attacco microbico ed è in grado di influenzare i processi aerobici di bio-degradazione – quindi il grado di protezione- della sostanza organica, con implicazioni per il ciclo globale del carbonio a sua volta coinvolto nei cambiamenti climatici del pianeta. Il suolo è l’habitat di migliaia di specie di microrganismi benefici che svolgono un ruolo fondamentale nei cicli biogeochimici e nella fertilità del suolo. Inoltre molte specie microbiche svolgono un ruolo chiave nella degradazione di molte sostanze organiche, compresi i contaminanti ambientali.

Gli idrocarburi sono tra i più frequenti contaminanti ambientali e l’inquinamento del suolo da prodotti petroliferi è un problema diffuso. Con la crescente attenzione verso la conservazione dell’ambiente, le tecniche di bio-risanamento del suolo sono divenute una valida alternativa ai tradizionali trattamenti chimici e fisici. I metodi di bio-stimolazione del suolo sono in grado di migliorare l’attività biologica e la biodiversità e possono quindi velocizzare e intensificare la bio-degradazione dei contaminanti di natura organica nel suolo, compresi gli idrocarburi e i derivati petroliferi.

Il laboratorio SoilFert studia da anni la composizione e le dinamiche dei nutrienti nel suolo, le attività enzimatiche e la capacità antiossidante del sistema biologico suolo, le principali cause di inquinamento (con particolare riguardo a quello da idrocarburi) e le possibili tecniche di biorisanamento ed esegue le principali determinazioni chimico-fisico e biologiche del suolo e dei substrati. Il laboratorio SoilFert possiede inoltre consolidata esperienza nello studio dei microrganismi biofertilizzanti, biostimolanti e e simbionti micorrizici e del loro ruolo nel metabolismo della pianta, in particolare nella sintesi di metaboliti ad alto valore nutraceutico.

Le principali linee di ricerca riguardano:

1) valutazione della capacità antiossidante del suolo;

2) studio della perdita di sostanza organica per mineralizzazione e del sistema antiossidante attivo nei suoli urbani;

3) sviluppo di nuove strategie per il mantenimento e l’incremento di sostanza organica del suolo attraverso l’impiego di ammendanti di diversa natura;

4) valutazione dell’efficacia di bio-stimolanti nell’accelerare il processo di biorisanamento di suoli inquinati da idrocarburi;

5) studio dello stato di contaminazione dei terreni adibiti a verde pubblico e del possibile utilizzo dei suoli come possibili indicatori dell’inquinamento in ambiente urbano;

6) studio dei microrganismi benefici, associati e non alle piante,  per incrementare la fertilità biologica del suolo e il valore nutraceutico dei prodotti alimentari;

7) sviluppo di sistemi di monitoraggio e di gestione dello stato idrico del continuum suolo-pianta-atmosfera mediante la spettroradiometria di campo, la sensoristica agro-idrologica e la micrometeorologia, compresa la loro calibrazione;

8) sviluppo di procedure semplificate per la calibrazione sito-specifica di sensori per la misura dello stato idrico del suolo e in vaso.

 

Unità di Ricerca afferenti al laboratorio SOILFERT:

UR MICROBIOLOGIA DEL SUOLO

Il settore di microbiologia del suolo possiede una consolidata esperienza nello studio della biodiversità molecolare e funzionale dei microrganismi di interesse ambientale e delle applicazioni di ceppi microbici funzionali in agricoltura sostenibile. La principali campi di ricerca sono:

1. studio della biodiversità molecolare e funzionale di ceppi microbici del suolo ai fini della loro utilizzazione nella produzione sostenibile degli alimenti;
2. isolamento e caratterizzazione molecolare e funzionale di ceppi di funghi micorrizici per il loro utilizzo come inoculanti nelle piante agrarie;
3. selezione di starter microbici per il recupero e valorizzazione di sottoprodotti agro-industriali quali le sanse, sia per l’ottenimento di compost verde utilizzabile in agricoltura, biologica e non, sia per l’ottenimento di biomasse per uso mangimistico con maggiore valore nutrizionale (ridotto contenuto in lignina).

 

UR DI SENSORISTICA E DI MODELLISTICA AGRO-IDROLOGICA

La UR integra attività di ricerca, di didattica e di servizio, sviluppate allo scopo di innovare, in maniera sostenibile, il dimensionamento idraulico-idrologico degli impianti e degli interventi irrigui alla scala di pianta e/o azienda.

Le motivazioni che animano l’avanzamento delle attività 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.

Le competenze sui sistemi e sui protocolli di monitoraggio e di gestione dello stato idrico del continuum suolo-pianta-atmosfera permettono di considerare la gestione della risorsa idrica in maniera esperta, contemplando anche la gestione dello stress idrico colturale piuttosto che evitarlo.

I ricercatori della UR collaborano con i gruppi di ricerca di Riego Deficitario Controlado y programación del riego en base a sensores e di Métodos avanzados de estimación de necesidades de agua de los cultivos, afferenti al Departamento de Ingeniería Rural y Agroalimentaria, Universitat Politècnica de València.

Inoltre, la UR è collaudatore di un sistema di monitoraggio dell’umidità e della temperatura del suolo, AgriNET, progettato dalla Tuctronics (154 East Grumman Avenue Walla Walla, WA 99362, USA).

Le principali linee di ricerca riguardano:

• sviluppo di sistemi di monitoraggio e di gestione dello stato idrico del continuum suolo-pianta-atmosfera mediante la spettroradiometria di campo, la sensoristica agro-idrologica e la micrometeorologia;
• sviluppo di funzioni di stress idrico-salino per sistemi colturali sparsi e per colture in vaso;
• applicazione della modellistica 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;
• sviluppo di procedure semplificate per la calibrazione sito-specifica di sensori per la misura dello stato idrico del suolo;
• studio ed implementazione di reti di sensori wireless interfacciabili in Internet.

 

La UR dispone di tecnici specializzati per la programmazione e l’implementazione di microcontrollori su piattaforme embedded anche di tipo open–source.

Infine la UR è dotata 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 e attrezzature per la pressiometria e la flussimetria delle reti irrigue e del sistema suolo-pianta, nonché di software suite per la scrittura di codici e la modellizzazione multivariata dei dati.

 

UR DI CHIMICA AGRARIA

Il settore di chimica agraria possiede una consolidata esperienza nello studio delle caratteristiche dei suoli, in termini di fertilità e contaminazione organica e inorganica, e nella valutazione della capacità degli ammendanti di migliorare la qualità del suolo.

Le principali linee di ricerca, volte all’individuazione di strategie per la conservazione della risorsa-suolo, riguardano:

1. studio delle cinetiche di mineralizzazione della sostanza organica di suolo e ammendanti (compost, fanghi di depurazione, biochar);
2. studio del sistema antiossidante del suolo, in grado di influenzare i processi aerobici di bio-degradazione, e quindi il grado di protezione, della sostanza organica;
3. valutazione e monitoraggio del grado di contaminazione organica e inorganica del suolo urbano.