Tecniche per lo studio sulla nutrizione e le carenza minerali

La dimostrazione dell'essenzialità di un elemento richiede che le piante crescano in condizioni controllate nelle quali sia assente solo l'elemento in questione. Nel diciannovesimo secolo numerosi ricercatori affrontarono questo problema crescendo le piante in soluzioni nutritive. La tecnica di crescita di piante con le radici immerse in una soluzione nutritiva e senza suolo si definisce idroponica. Visto che le radici sono poste in soluzione, in questo modo, è possibile controllare la quantità di minerali disciolti e variare la quantità di diversi elementi senza cambiamenti drastici della loro concentrazione e del pH del mezzo di coltura. In un altra forma di coltura idroponica le radici delle piante giacciono sulla superficie di un trogolo (vasca ripiena) e le soluzioni nutritive vengono fatte scorrere in un sottile strato che fluisce attraverso il trogolo e sopra le radici della pianta. Questo metodo, definito sistema di crescita a pellicola nutritiva, permette alle radici di ricevere un'adeguata quantità di ossigeno. Una via alternativa per l'accrescimento di piante con radici immerse in una soluzione nutritiva è quello di far crescere le piante per via aeroponica. In questa tecnica le piante vengono fatte crescere con le radici sospese nell'aria e continuamente spruzzate con una soluzione nutritiva. Comunque, negli anni sono state utilizzate diverse formulazioni per la preparazione di soluzioni nutritive. Un problema importante nella crescita di piante in soluzione nutritiva è quello, però, della somministrazione di quantità sufficienti di ferro. Quando il ferro viene fornito sotto forma di sale inorganico, come FeSO4 o Fe(NO3)2, esso può precipitare nella soluzione come idrossido di ferro. I primi tentativi per risolvere questo problema coinvolgevano l'addizione del ferro alla soluzione nutritiva insieme con acido citrico o acido tartarico. Questi composti sono detti chelanti, poiché formano complessi solubili con cationi come il ferro e il calcio nei quali il catione è trattenuto da forze ioniche. Gli ioni chelanti rimangono così fisicamente disponibili per la piante. Formule moderne utilizzano il composto chimico acido etilendamminotetraacetico (EDTA) come agente chelante.
Grazie a queste tecniche si è osservato che il rifornimento inadeguato di un elemento essenziale porta allo scompenso nutrizionale che si manifesta in caratteristici sintomi di carenza, come la decolorazione di una foglia. Nelle piante cresciute nella terra la diagnosi, invece, è molto più complessa in quanto la carenza di più elementi si potrebbe verificare simultaneamente in diversi tessuti. Comunque, in una pianta i sintomi della carenza di elementi nutritivi sono l'espressione di disordini metabolici che risultano dall'insufficiente rifornimento di un elemento essenziale. È importante considerare, quando si correlano i sintomi da carenza al ruolo di un elemento essenziale, il grado al quale un elemento può essere riciclato dalle foglie più vecchie a quelle più giovani. Alcuni elementi come l'azoto, il fosforo e il potassio possono facilmente spostarsi da foglia a foglia (elementi mobili), mentre altri come il boro, il ferro e il calcio sono relativamente immobili (elementi immobili). Quindi, se un elemento essenziale è mobile, i sintomi da carenza si verificheranno per prima nelle foglie più vecchie, mentre la carenza per un elemento essenziale immobile si manifesterà prima nelle foglie più giovani. Anche se non è ancora chiaro il processo di mobilitazione, risultano essere coinvolti alcuni ormoni vegetali come le citochine. Comunque, possiamo dire, che la carenza di azoto e zolfo, che fanno parte del primo gruppo, e sono per lo più costituenti di amminoacidi e proteine porta a clorosi, ingiallimento delle foglie. In condizioni di carenza estrema queste foglie diventano completamente gialle (o marroni) e si staccano dalla pianta. Nel secondo gruppo invece, la carenza di fosforo porta alla crescita stentata delle piante giovani e la colorazione verde scuro delle foglie, che possono essere deformi e contenere delle macchie necrotiche; la carenza di silicio, invece, porta a piante più suscettibili al ripiegamento ed ad infezioni fungine; piante carenti in boro, invece, mostrano soprattutto necrosi nera delle foglie giovani e delle gemme terminali. Nel terzo gruppo, invece, carenze di potassio portano a clorosi marginali che si sviluppano poi in necrosi che si verificano principalmente sugli apici e sui margini della foglia fra le venatura; la carenza di calcio è evidenziata da necrosi di giovani regioni meristematiche, come gli apici delle radici e le giovani foglie, dove la divisione cellulare e la formazione della parete sono rapide. Comunque, bisogna specificare, che durante l'accrescimento delle piante vi è un continuo cambiamento nelle richieste di elementi essenziali e spesso si effettua un analisi del suolo, ossia si determina la composizione chimica del contenuto di un elemento nutritivo in un campione di suolo dalla zona radicale. Questo tipo di analisi permette di calcolare le concentrazione degli elementi nutritivi potenzialmente disponibili per le radici senza poter valutare le condizioni di assorbimento e la quantità di elementi realmente assorbiti. Per ottenere questa informazione deve essere effettuata l'analisi dei tessuti vegetali. Un uso adeguato dell'analisi dei tessuti vegetali richiede la conoscenza delle relazioni fra l'accrescimento della pianta (o la resa) e il contenuto minerale dei campioni di tessuto vegetale. Nella risposta della crescita in tessuti con concentrazioni crescenti di un nutriente possiamo identificare tre zone; l'accrescimento è ridotto quando il contenuto di elementi nutritivi in un campione di tessuto è basso. In questa zona di carenza della curva l'aumento della concentrazione del minerale nel tessuto è correlata all'aumento della crescita o della resa. Aumentando ulteriormente la concentrazione di elementi nutritivi si raggiunge un punto al quale l'ulteriore aumento del contenuto minerale non è più correlabile con l'aumento dell'accrescimento o della resa, ma è solo indicativo dell'aumento della concentrazione nel tessuto. Questa parte del grafico è spesso definita zona adeguata. La transizione fra la zona di carenza e quella adeguata rileva la concentrazione critica dell'elemento nutritivo, che può essere definita come il contenuto minimo dell'elemento nutritivo nel tessuto, che è correlata alla massima crescita o resa. Come il contenuto di elementi nutritivi del tessuto aumenta oltre la zona adeguata, la crescita o la resa cominciano a diminuire a causa della tossicità (questa è definita la zona tossica). Per valutare la relazione fra l'accrescimento e il contenuto di un elemento nutritivo nel tessuto, le piante vengono fatte crescere in suoli o soluzioni nutritive in cui sono presenti, a concentrazioni adeguate, tutti gli elementi nutritivi ad eccezione dell'elemento nutritivo in questione. Questo è quindi aggiunto, all'inizio dell'esperimento, in concentrazioni crescenti per diversi gruppi di piante e il contenuto dell'elemento nutritivo nel tessuto specifico è messo in relazione con una misura particolare di crescita p di resa. Si costituiscono di solito diverse cure, una per ogni tipo ed età di tessuto.