La maggior parte delle piante e delle piante coltivate sono piante C3, in riferimento al fatto che il primo composto di carbonio prodotto durante la fotosintesi contiene tre atomi di carbonio. In condizioni di temperatura e luce elevate, tuttavia, l’ossigeno ha un’alta affinità per l’enzima fotosintetico Rubisco. L’ossigeno può legarsi a Rubisco al posto dell’anidride carbonica, e attraverso un processo chiamato fotorespirazione, l’ossigeno riduce l’efficienza fotosintetica delle piante C3 e l’efficienza di utilizzo dell’acqua. In ambienti con alta temperatura e luce, che tendono ad avere limitazioni di umidità del suolo, alcune piante hanno evoluto la fotosintesi C4. Un’anatomia e una biochimica fogliare uniche permettono alle piante C4 di legare l’anidride carbonica quando entra nella foglia e produce un composto a 4 carboni che trasferisce e concentra l’anidride carbonica in cellule specifiche intorno all’enzima Rubisco, migliorando significativamente l’efficienza fotosintetica e di utilizzo dell’acqua della pianta. Come risultato, in ambienti ad alta luce e temperatura, le piante C4 tendono ad essere più produttive delle piante C3. Esempi di piante C4 includono mais, sorgo, canna da zucchero, miglio e switchgrass. Tuttavia, gli adattamenti anatomici e biochimici C4 richiedono più energia e risorse della pianta rispetto alla fotosintesi C3, e quindi in ambienti più freddi, le piante C3 sono tipicamente più efficienti dal punto di vista fotosintetico e produttive.
Siccome l’anidride carbonica è il gas di cui le piante hanno bisogno per la fotosintesi, i ricercatori hanno studiato come le elevate concentrazioni di CO2 abbiano un impatto sulla crescita delle piante C4 e C3 e sulla resa delle colture. Anche se le piante C3 non sono adattate alle temperature calde come le piante C4, la fotosintesi delle piante C3 è limitata dall’anidride carbonica; e come ci si aspetterebbe la ricerca ha dimostrato che le piante C3 hanno beneficiato dell’aumento delle concentrazioni di anidride carbonica con un aumento della crescita e dei raccolti (Taub, 2010). Al contrario, con i loro adattamenti, le piante C4 non sono così limitate dall’anidride carbonica, e sotto elevati livelli di anidride carbonica, la crescita delle piante C4 non è aumentata tanto quanto quella delle piante C3. In studi sul campo con livelli elevati di anidride carbonica, anche i rendimenti delle piante C4 non erano più alti (Taub, 2010). Inoltre, se l’azoto del suolo era limitato, la risposta delle piante C3 all’elevata concentrazione di CO2 era ridotta o il contenuto di azoto o di proteine delle piante coltivate era ridotto rispetto alle piante cresciute in condizioni di alto contenuto di N del suolo (Taub, 2010). Questi risultati suggeriscono che le colture probabilmente richiederanno una maggiore disponibilità di nutrienti nel suolo per beneficiare delle elevate concentrazioni di anidride carbonica atmosferica. Per ulteriori informazioni facoltative sulla risposta delle piante C3 e C4 alle elevate concentrazioni di anidride carbonica, vedi il seguente riassunto della ricerca che è anche elencato nella lista di lettura aggiuntiva, Effetti dell’aumento delle concentrazioni atmosferiche di anidride carbonica sulle piante.
Altri tratti delle piante coltivate che tollerano la siccità
Alcuni tratti aggiuntivi che aiutano le piante a tollerare la siccità e lo stress da calore includono sistemi radicali profondi (tipici delle piante perenni) e/o foglie spesse con cere che riducono la perdita di acqua e il tasso di traspirazione. Inoltre, alcune piante arrotolano le loro foglie per ridurre la superficie per la ricezione delle radiazioni solari e il riscaldamento, e alcune riducono la loro conduttanza stomatica (perdita d’acqua) più di altre.
Temperatura
Le temperature elevate previste con il cambiamento climatico possono avere molteplici impatti sulle condizioni di crescita delle piante. Il cambiamento climatico può allungare le stagioni di crescita in alcune regioni, anche se la lunghezza del giorno non cambierà. Poiché le date di semina sono modificate con stagioni di crescita più lunghe, le colture possono anche essere esposte a temperature elevate, stress da umidità e rischio di gelo. Le temperature elevate possono anche aumentare l’evaporazione dell’acqua dal suolo, riducendo la disponibilità di acqua del suolo. Le temperature più alte non sono necessariamente ideali per la resa, anche se le temperature sono inferiori alla temperatura ottimale delle piante. A temperature elevate, le piante crescono più velocemente, il che tende a, uno, ridurre la quantità di tempo per la fotosintesi e la crescita, con il risultato di piante più piccole, e due, ridurre il tempo di riempimento dei chicchi, riducendo la resa, in particolare se le temperature notturne sono elevate (Hattfield et al., 2009). Le alte temperature possono anche ridurre la vitalità del polline ed essere letali per il polline. I molteplici effetti delle alte temperature sul processo fisiologico delle piante e sull’umidità del suolo spiegano probabilmente perché la ricerca ha scoperto che lo sviluppo dei chicchi e la resa sono spesso ridotti quando le temperature sono elevate (Hattfield et al., 2009).
Molti fattori che si prevede cambieranno con il cambiamento climatico potrebbero influenzare la crescita delle piante. Questi includono la concentrazione di anidride carbonica, la temperatura, le precipitazioni e l’umidità del suolo, e le concentrazioni di ozono nella bassa atmosfera.
Leggi l’Introduzione e il Messaggio chiave 1 (Impatti crescenti sull’agricoltura) del National Climate Assessment.
Verifica la tua comprensione
In che modo i molteplici fattori di cambiamento climatico che si prevede cambieranno insieme (come la temperatura, la concentrazione di anidride carbonica e la disponibilità di umidità del suolo) influenzeranno in modo diverso la crescita e la resa delle piante coltivate?