Il suolo è un ecosistema vivo, dinamico, popolato da comunità microbiche estremamente complesse che svolgono un ruolo chiave nel funzionamento degli agroecosistemi.
Il progetto europeo TRIBIOME nasce con l’obiettivo di comprendere come queste comunità microbiche, e in particolare il microbioma del suolo e della rizosfera delle piante, contribuiscano alla resilienza dei sistemi agricoli di fronte a stress ambientali come la siccità. Nel corso del progetto, sono stati analizzati suoli e rizosfere di coltivazioni di frumento in diverse aree europee, caratterizzate da condizioni pedoclimatiche differenti. Attraverso tecniche avanzate di sequenziamento del DNA batterico/fungino e approcci di modellizzazione basati su reti microbiche, è stato possibile descrivere non solo la composizione delle comunità microbiche, ma anche le relazioni funzionali tra i microrganismi che le compongono. I risultati mostrano che il microbioma del suolo non risponde alla siccità in modo casuale. Al contrario, emergono moduli microbici ricorrenti, ovvero gruppi di microrganismi che tendono a co-variare e a interagire tra loro in modo coordinato. All’interno di questi moduli sono stati identificati taxa chiave, definiti keystone, che occupano posizioni centrali nelle reti di interazione e che sembrano svolgere un ruolo importante nel mantenimento della stabilità del sistema. In condizioni di elevata aridità, sia nei suoli sia nella rizosfera, si osserva un arricchimento ricorrente di specifici generi batterici e fungini, molti dei quali sono noti per la loro capacità di tollerare stress ambientali, modulare la disponibilità dei nutrienti o interagire positivamente con le piante. Questi microrganismi non agiscono isolatamente, ma come parte di consorzi funzionali, la cui struttura cambia nel tempo e in funzione dello stadio di sviluppo della coltura. Un aspetto particolarmente rilevante emerso dal progetto TRIBIOME è che le interazioni tra microrganismi sono altamente specifiche e dipendenti dal contesto. Questo significa che la semplice presenza di un determinato taxon non è sufficiente a predirne la funzione: è la rete funzionale in cui esso è inserito a determinarne l’impatto sull’ecosistema suolo-pianta.
Modellizzazione delle reti microbiche (Wiggum Plot) della rizosfera di Triticum aestivum (Figura a sinistra) e Triticum durum (Figura a destra) in campioni raccolti presso l’azienda Floriddia (Toscana) nell’ambito del progetto TRIBIOME. Ogni nodo rappresenta un genere batterico (presente in almeno il 20% dei campioni) in connessione con gli altri microrganismi tramite correlazioni positive (si influenzano positivamente l’un l’altro – linee rosse) o negative (si influenzano negativamente l’un l’altro – linee blu). Network analysis realizzata da Dr. D. Scicchitano.
Il progetto europeo TRIBIOME (Horizon) è iniziato nel 2023 e finirà a dicembre 2026. I partner sono Università e Centri di ricerca di 6 paesi EU e del Sud Africa.
I due ambiti principali di TRIBIOME sono lo studio delle relazioni microbiche tra piante di frumento e suolo e lo sviluppo di modulatori del suolo. RSR partecipa sia alla sperimentazione che allo sviluppo di un sistema decisionale basato su una rete di agricoltori. Lo studio della microdiversità è stato condotto in diverse località rappresentative di agroecosistemi mediterranei per un totale di 11 campi sperimentali, gestiti con pratiche agricole locali e distribuiti lungo un gradiente climatico ed edafico tra nord e sud di Spagna e Italia. In ogni campo, ognuno di 3000 metri quadri, la campagna di campionamento ha riguardato le piante di frumento (spigatura, maturità, raccolta), la rizosfera e il suolo (primavera, estate, autunno). Il campionamento ha permesso di catturare le dinamiche stagionali delle comunità microbiche in base ad attività enzimatica e diversità funzionale in risposta allo sviluppo delle colture e alle condizioni climatiche. L’analisi dei dati “omics” (genomica, proteomica, metabolomica) si è focalizzata sulle relazioni tra microbiota, ambiente, persone e cibo con lo scopo di indagare il legame tra mondo microscopico e qualità degli alimenti: se il suolo è fertile e vivo anche la salute delle piante e delle persone ne guadagna (si veda l’articolo successivo). Un altro obiettivo di TRIBIOME è lo sviluppo di modulatori del suolo e biostimolanti basati su microrganismi o sostanze fitochimiche che agiscono sull’interfaccia pianta- suolo. Negli ultimi anni, il mercato globale dei biostimolanti ha registrato una rapida crescita e l’Europa è il più grande mercato con 8 milioni di ettari trattati (2016). Il nuovo regolamento EU 2019/1009 sui fertilizzanti, in vigore dal 16 luglio 2022, rappresenta una svolta normativa fondamentale per i biostimolanti vegetali microbici in Europa, introducendo una definizione armonizzata, criteri di sicurezza rigorosi e la possibilità di ottenere la marcatura CE.
Un biostimolante vegetale è un prodotto che stimola i processi di nutrizione delle piante, indipendentemente dal contenuto di nutrienti del prodotto, con l’unico scopo di migliorare una o più delle seguenti caratteristiche della pianta o della rizosfera: efficienza nell’utilizzo dei nutrienti, tolleranza allo stress abiotico, caratteristiche qualitative, disponibilità di nutrienti confinati nel suolo o nella rizosfera. I biostimolanti vegetali sono microbici (MPB) o non microbici (NMPB). I MPB possono essere costituiti da un microrganismo o da un consorzio di microrganismi, compresi microrganismi morti o con cellule vuote ed elementi residui non nocivi del mezzo in cui sono stati prodotti, che non abbiano subito alcun tipo di trattamento, esclusa l’essiccazione o la liofilizzazione.
Gli unici microrganismi consentiti con marchio CE sono: i funghi micorrizici, Azotobacter, Rhizobium e Azospirillum. Qualsiasi altra specie microbica non può essere commercializzata con il marchio CE ma solo applicando legislazioni nazionali. I NMPB sono sostanze di origine naturale che stimolano i processi fisiologici delle piante, senza fornire nutrienti, per migliorare l’efficienza nell’assorbimento dei nutrienti, la tolleranza agli stress (siccità, salinità, temperature estreme) e la qualità della produzione, agendo come promotori della crescita e della resilienza. TRIBIOME ha isolato, caratterizzato e identificato con successo 10 modulatori a base di microrganismi che presentano attività di promozione della crescita delle piante appartenenti al gruppo di rischio 1 (rischio minimo per ambiente e salute umana) e 3 modulatori a base di estratti fenolici botanici ottenuti da residui di broccoli, cipolla e foglie di canna gigante utilizzando solo acqua e condizioni di lavorazione delicate. Tramite prove di campo, in serra e in vitro, i modulatori TRIBIOME risultano regolatori positivi dello sviluppo delle piante di grano. In particolare, è stato scoperto che Solibacillus silvestris aumenta significativamente l’accumulo di biomassa in T. durum sottoposto a stress idrico. Buttiauxella agrestis, Pseudomonas antarctica e Bacillus phsychrophilus hanno dimostrato di favorire la formazione delle foglie in T. aestivum in condizioni di siccità. Inoltre, Pseudomonas antarctica e Pseudomonas cedrina hanno anche mostrato effetti positivi sulla formazione di radici secondarie in T. aestivum in condizioni di stress idrico. Sebbene nessun singolo modulatore sia stato identificato come efficace per tutti i parametri studiati, molti hanno mostrato una regolazione statisticamente significativa di specifici tratti fisiologici, giustificando la loro selezione per ulteriori indagini.
In recent decades, the use of fertilizers and pesticides has doubled global food production but has also led to significant environmental problems, including eutrophication, reduced biodiversity, and a substantial contribution to global warming. These rapid changes are pushing agriculture towards a fundamental transformation, necessitating sustainable alternatives to reduce the carbon footprint of agricultural practices and enhance plant adaptation to environmental stresses. Exploiting soil microbial communities offers great potential to improve the efficiency of agricultural production, increase resilience to environmental stresses, and promote the agroecological transition of food systems. Soil microbiota influence plant growth, health, and stress resistance by facilitating the uptake of essential nutrients such as nitrogen and phosphorus, and by helping plants resist drought, high salinity, and pathogen attacks.
The impact of microorganisms on plant growth
Research is focusing on optimizing soil microbial communities for beneficial interactions with plants by selecting plant varieties that respond well to these microbes. New tools now allow us to explore plant-microbiome interactions in unprecedented detail, revealing insights into resistance mechanisms against simultaneous pathogen attacks and interactions with beneficial microbes. A new conceptual framework for improving microbial inoculation success is emerging.
The impact of microorganisms on plant growth and health has led to the integration of the microbiome into the basic model that determines a plant’s phenotype (Y) through the relationship between genotype (G) , epigenetic (eG) and environment (E), resulting in the model Y ∼ G x eG x E x M. Microbial inoculation only enhances the ability to cope with stress when all factors are aligned: the plant genotype must respond to the inoculated microorganism, the inoculant must adapt to the soil’s physical-chemical environment, and it must establish itself in the local microbiome.
While the role of plant-associated microbes in plant health is clear, a comprehensive understanding of how plants influence their microbiome, both in harmful and beneficial ways, is still under development. There is growing evidence of genetic variation in the regulation of plant-microbe interactions, which plant breeders can exploit. This new breeding strategy proposes incorporating the entire plant holobiome into resistance selection strategies to discover complex defense mechanisms.
Reducing the use of agrochemicals
Microbiome-assisted plant production aims to maintain yields while reducing the use of agrochemicals. Instead of relying on fertilizers and pesticides, beneficial microbes are added to the soil or plants, with specific plant species enriching these microorganisms and soil management practices creating favorable conditions. Many microorganisms improve plant nutrition or increase resistance to stresses, offering promising opportunities to ensure crop productivity and stability.
However, large-scale adoption of these technologies faces challenges, such as “context dependency,” where the benefits of microbes can vary significantly depending on environmental factors such as soil type, climate, and crop species. This variability complicates the prediction of outcomes in different agricultural contexts. Inoculation of selected microorganisms is promising but faces obstacles related to regulation, registration, consumer acceptance, and market dynamics.
A sustainable and reliable agricultural practice
Progress has been made with microbial consortia for biocontrol and biofertilization, where the synergy between fungal and bacterial strains promotes plant growth and suppresses pathogens. However, improving application technologies and formulations to achieve high cell counts and shelf life remains essential.
To advance microbiome-assisted plant breeding, a thorough understanding of genotype-microbiome interactions and the ecology of the inoculating strains or consortia is crucial. Efficient screening tools are needed to select suitable plant genotypes and consider the variability of the soil microbiome in different environments. With an integrated, science-based strategy, microbiome-assisted crop production could become a sustainable and reliable agricultural practice, ensuring food security in a changing world.
In this context, agroecology provides a fundamental framework. This approach combines scientific knowledge and local experience to promote sustainable, resilient, and diverse agricultural systems. Agroecological transformation enhances plant-microbe interactions, reduces dependence on chemical inputs, and improves soil health. The adoption of agroecological breeding strategies promotes agriculture that mitigates climate change, conserves biodiversity, and ensures food security
