Appunti Vivaistica

Università Politecnica delle Marche

Facoltà di agraria

Corso di tecnica vivaistica

Docente: Prof. Bruno Mezzetti

Testo integrativo al materiale didattico

Metodi di propagazione in vivo

La propagazione delle piante significa moltiplicazione delle stesse, per via agamica o per via sessuata. La propagazione delle piante è stata un'attività fondamentale dell'umanità sin dagli albori della civilizzazione. L'agricoltura iniziò circa 10,000 anni fa quando le popolazioni primitive impararono a piantare e coltivare specie che soddisfacessero i fabbisogni nutrizionali propri e dei loro animali. Con la civilizzazione, l'uomo aumentò il numero delle specie, non solo per ottenere ulteriori raccolti a scopo alimentare, ma anche per coltivare piante da fibra, per medicamenti e ornamento.

Da un'infinita diversità e variabilità delle piante è stato possibile selezionare tipi particolarmente utili al benessere dell'uomo e dei suoi animali (Backer, 1978; Sauer, 1969).

Il progresso nello sviluppo dell'agricoltura ha richiesto l'interazione di due attività separate. La prima è la selezione di piante con caratteristiche specifiche; l'altra è la riproduzione di queste varietà indirizzata al mantenimento delle caratteristiche colturali apprezzabili.

Il progresso nel miglioramento delle piante sarebbe stato inconsistente senza l'impiego di metodi che permettessero di mantenere in coltivazione le forme eventualmente migliorate. Di conseguenza, si è assistito a un processo di invenzione e sviluppo di tecniche per la propagazione delle piante. Nel corso della storia, all'apparire di nuove specie di piante, si sono sviluppate nuove tecniche per preservarle; di contro, con l'incalzante sviluppo di tecniche propagative, aumentò il numero di piante disponibili per la coltivazione.

Molti dei metodi generali di propagazione, se non la maggior parte, risalgono ad epoche precedenti la storia tramandata. Probabilmente non è una coincidenza che alcuni dei più antichi prodotti - uva, olive, more del gelso, cotogne, melograni e fichi - siano anche i più facili ad essere propagati, usando la semplice tecnica della talea legnosa. Per moltiplicare molti altri alberi da frutto fu necessario l'affinamento delle tecniche di innesto a marza ed a gemma.

L'invenzione di serre nel diciannovesimo secolo rese possibile il radicamento di talee fogliari. Più recentemente, la scoperta di sostanze chimiche che inducono la formazione di radici e lo sviluppo della tecnica di propagazione col "mist" hanno molto migliorato le operazioni nel vivaio. Similmente, la produzione delle piante da seme è stata rivoluzionata con la scoperta dei principi genetici che portano, insieme ad altre innovazioni, alla produzione del seme ibrido. Un importante passo avanti, infine, è avvenuto con lo sviluppo delle tecniche di micropropagazione asettica e di coltura di tessuti in vitro (Hartmann e Kester, 1990).

Propagazione per seme

La propagazione per seme è il principale metodo di riproduzione delle piante in natura ed uno dei più diffusi ed efficaci nell'ambito della moltiplicazione di specie coltivate. Le piante così prodotte sono denominate semenzali, un termine che in ortofrutticoltura viene applicato alla pianta nell'intero ciclo vitale, mentre in botanica esso si riferisce al periodo immediatamente successivo alla germinazione del seme.

La propagazione del seme stesso, che è il risultato di un processo di crescita e sviluppo avvenuto per seme, inizia fisicamente con la piantagione sulla pianta genitrice. Questo processo di sviluppo comincia con la fusione dei gameti maschili e femminili e la formazione di un'unica cellula (lo zigote) all'interno dell'ovulo del fiore. In alcuni casi, però, l'embrione è frutto di una riproduzione asessuata, processo chiamato apomissia. Gli embrioni somatici o vegetativi possono essere inoltre prodotti in vitro mediante colture di tessuti. In ciascuno di questi casi le plantule da seme, sia che siano state originate sessualmente che agamicamente, hanno un particolare ciclo vitale che si distingue nettamente da quello delle piante propagate vegetativamente (Hartmann e Kester, 1990).

In natura le piante superiori si moltiplicano soprattutto per seme. La caratteristica variabilità genetica esistente tra i semenzali è importante perché consente un continuo adattamento delle diverse specie alle eventuali variazioni ambientali. Gli individui che entro ciascuna generazione mostrano maggior adattamento ambientale tendono a sopravvivere, produrre una successiva generazione e conservare la specie.

D'altro canto, la propagazione delle specie coltivate esige che venga impedita la variabilità nel corso della riproduzione per seme, per mantenere la validità della cultivar. Le migliori caratteristiche selezionate nelle piante coltivate non possono venir trasmesse alla successiva generazione se non ci si attiene ai principi di base ed a precise metodologie (Hartmann e Kester, 1990).

La maggior parte degli alberi e degli arbusti sono eterozigoti ad impollinazione incrociata ed hanno un notevole potenziale di variabilità genetica. Questi aspetti determinano dei problemi: 1) la variabilità che può esistere entro una particolare partita di semi, 2) l'idoneità di una certa fonte e l'attendibilità con cui è possibile prevedere le caratteristiche della discendenza in base a quelle dei genitori. Le piante legnose da seme hanno diverse utilizzazioni anche in base al grado di variabilità. Per le piante da frutto è importante l'uniformità tra gli individui di un certo portinnesto (Hartmann e Kester, 1990). È per questo motivo che non si moltiplicano le varietà ma solo i portinnesti, anche se per questi si utilizza il seme solo per quelle specie a bassa variabilità (principalmente autogame).

È molto importante, perciò, prima di procedere alla produzione di piante legnose perenni, identificare l'origine del seme poiché il seme di una certa specie, raccolto in una località, può produrre piante inadatte per un'altra località. Un'applicazione del concetto di origine del seme è quella di usare solo seme "locale", qualora l'adattamento di un certo seme non sia conosciuto per una data località. "Seme locale" significa seme di una zona soggetta allo stesso clima di quella in esame, cioè compresa entro un raggio di 160 km ed entro 300 m circa della sua altitudine. Altre prescrizioni sono quelle di usare seme di una regione con caratteristiche pedo-climatiche simili, o con capacità di adattamento uguale o maggiore (Hartmann e Kester, 1990).

La selezione delle fonti speciali di sementi è necessaria per riprodurre le caratteristiche desiderate e migliorare la qualità in specie diverse dal "seme locale". Indubbiamente il fenotipo di un albero è un buon indicatore del fenotipo della discendenza che ne deriverà. Di conseguenza, la selezione dei genitori può essere efficace per ottenere parecchie caratteristiche, quali la forma del fusto, il modo di ramificare, la velocità di accrescimento, la resistenza a malattie ed insetti, ed altre. Questo metodo è noto come selezione fenotipica (Hartmann e Kester, 1990).

Si possono costituire frutteti od impianti specifici per la produzione di seme, riprodotti da piante originali di pregio particolare, preferibilmente sottoposti a selezione genotipica. I frutteti da seme sono usati direttamente o indirettamente nella produzione dei semi per portainnesti di fruttiferi (Cochran et al., 1961). Gli arboreti da seme sono altresì utili per sottoporre gli alberi da seme per portinnesti ai periodici controlli delle virosi. Vi sono tre tipi fondamentali di frutteti da seme (Linstrom, 1965; Thomson, 1979):

• Alberi da semenzali prodotti da genitori selezionati per mezzo dell'impollinazione spontanea o controllata.
• Frutteti clonali in cui i cloni selezionati vengono propagati per innesto o per talea.
• Frutteti clonali innestati su branche di un certo numero di alberi.

La scelta tra questi tipi dipenderà dalla specie e dal programma di miglioramento del seme che verrà formulato (Hartmann e Kester, 1990).

Il seme e la germinazione

Formazione e struttura del seme

I vegetali superiori si riproducono per seme, struttura che si sviluppa, successivamente all'agamia, sulla pianta madre e dalla quale si distacca a maturità. Formazione e sviluppo del seme saranno esaminati più in dettaglio nel corso di Botanica sistematica. Schematicamente, possiamo dire che in un seme si riconoscono tre regioni:

• Struttura schematizzata di due semi, con riserve nell’embrione (foglie cotiledonari: A) e nell’endosperma (B); 1=apice del germoglio, 2=apice radicale, 3=tegumenti, 4=cotiledoni, 5=cotiledone (scutello), 6=aleurone, 7=endosperma
• L'embrione
• Tessuti contenenti sostanze di riserva
• Tegumenti che avvolgono e proteggono il tutto

Nell’embrione è già prefigurata e riconoscibile la futura pianta adulta; sono infatti individuabili un apice del futuro fusto, un apice della radice, un corto asse che li collega e una (Monocotiledoni), due (Dicotiledoni) o numerose (Gimnosperme) foglie embrionali o cotiledoni.

In qualsiasi vegetale pluricellulare che nasca da una cellula uovo fecondata, le divisioni cui va incontro tale cellula determinano la formazione, in tempi più o meno brevi, di un embrione che ha le caratteristiche prima descritte. Con le Gimnosperme e poi le Angiosperme viene però introdotta una novità, che ha avuto grandi conseguenze per la conquista dell'ambiente terrestre: il processo di morfogenesi zigote → individuo adulto non si verifica più in continuità ma subisce un arresto, appunto allo stadio di embrione, dal quale riprenderà la crescita e lo sviluppo dopo un intervallo di tempo che può essere anche di mesi o di anni. Le conseguenze, in termini di svincolamento totale dall’ambiente acquatico e di diffusione sempre più ampia nell’ambiente terrestre, sono state enormi ed anche questi aspetti verranno più evidenti dopo le lezioni di Botanica sistematica.

Per conseguire questi risultati il seme, che contiene l’embrione, deve possedere alcune caratteristiche:

• Presenza, attorno all’embrione, di sostanze nutritive sufficienti a sostenere la crescita (quando questa si verificherà) fino a renderlo pianta autosufficiente
• Un metabolismo estremamente ridotto, per far sì che le sostanze di riserva non vengano consumate nell’intervallo di tempo fra il distacco del seme dalla pianta madre e la germinazione
• Capacità di resistere senza danni a situazioni ambientali avverse e potenzialmente dannose in questo intervallo di tempo
• Meccanismi di percezione e valutazione dei vari parametri ambientali e capacità di reazione a quelli favorevoli con la ripresa di crescita e sviluppo

La grande maggioranza dei semi, definiti “ortodossi”, possiede queste caratteristiche, acquisite nel periodo di sviluppo dell’embrione che si è svolto all’interno della pianta madre. Le fasi di sviluppo del seme sono tipicamente tre, che si susseguono, in parte sovrapponendosi, in questo ordine:

• Embriogenesi vera e propria, caratterizzata dalle divisioni cellulari dello zigote e che si conclude con la formazione dell’embrione; in questa fase aumenta il contenuto di acqua e di sostanza organica
• Accumulo delle riserve. In questa fase il contenuto in acqua (elevato e tipico di cellule in attiva crescita: circa il 70-80 % della sostanza fresca) si mantiene stabile e anzi subisce, verso la fine, una leggera flessione. Non si verificano più divisioni cellulari; le cellule subiscono invece un forte aumento di volume. Le sostanze di riserva possono essere accumulate nell’embrione stesso, in particolare nelle foglie cotiledonari (es. il fagiolo) o in territori esterni all’embrione come l’endosperma (vedi lezioni di Botanica sistematica per la caratterizzazione dell’endosperma in Gimnosperme e Angiosperme). Le sostanze di riserva, trasferite dalla pianta madre al seme, sono costituite da glucidi, lipidi, proteine, in proporzioni variabili fra loro a seconda delle specie. Per esempio, prevalgono i glucidi nei cereali come frumento, mais ecc., le proteine in Leguminose come il fagiolo, i lipidi in semi come colza, arachide ecc. È durante questa fase che l’embrione acquisisce tolleranza alla disidratazione, che si verificherà nella fase successiva
• Fase di disidratazione, caratterizzata da un livello costante di sostanza secca e da una forte perdita di acqua, che al termine della fase (e quindi nel seme maturo) non supera il 10-15% della sostanza fresca

Lo sviluppo di un seme è sostenuto dall’espressione di gruppi di geni caratteristici di ognuna delle tre fasi (che si esprimono, cioè, solo in una di esse e restano silenti nelle altre) ed è caratterizzato dalla presenza e attività di ormoni specifici. La prima fase è controllata principalmente da gibberelline e citochinine, mentre nella seconda è massima la quantità di ABA riscontrabile, ABA che regola la sintesi di almeno alcune delle proteine di riserva accumulate.

Il susseguirsi di queste tre fasi caratterizza lo sviluppo della maggior parte dei semi, definiti “ortodossi”. Esistono tuttavia anche semi sprovvisti della terza fase, definiti “recalcitranti”. Alla disidratazione, appunto. In questi semi la disidratazione, fino ai livelli tipici dei semi ortodossi, comporta la morte del seme. Le specie con semi recalcitranti sono principalmente alberi di zone tropicali o sub-tropicali ma ne troviamo anche fra alberi (salici, aceri ecc.) di zone temperate. I semi recalcitranti devono ovviamente germinare non appena caduti al suolo, pena la morte, visto che non tollerano la disidratazione.

È proprio la disidratazione che consente ai semi ortodossi di trascorrere periodi di tempo anche lunghi senza germinare ma restando vitali. Il basso contenuto di acqua non solo permette al seme un rallentamento profondo del suo metabolismo ma anche una forte resistenza a situazioni ambientali (es. basse temperature) altrimenti dannose. La disidratazione consente quindi ai semi ortodossi di essere dei veri organi di resistenza in stato di vita rallentato.

Come vedremo in seguito, la fine di questa fase e l’inizio della germinazione sono caratterizzati proprio da un forte assorbimento di acqua da parte del seme, preliminare alla ripresa dell’attività metabolica.

L’attitudine a sopportare senza danni una forte disidratazione viene acquisita dai semi ortodossi durante la seconda fase, nella quale si accumulano nell’embrione alcuni specifici oligosaccaridi e delle proteine a basso peso molecolare definite LEA (late embryogenesis abundant). La sintesi delle LEA sembra indotta dall’ABA, che proprio in questa fase raggiunge un picco di concentrazione. Il meccanismo di azione di queste sostanze non è chiaro; si suppone che agiscano stabilizzando e proteggendo le membrane cellulari.

Quiescenza e dormienza

Un seme ortodosso, con le caratteristiche e nelle condizioni che abbiamo descritto, è definito “quiescente”. Con la germinazione l’embrione riprenderà il cammino (interrotto al momento della maturazione del seme) della morfogenesi, che si concluderà con la formazione dell’individuo adulto. La germinazione avrà luogo quando il seme, magari disperso mesi prima dalla pianta madre, troverà nell’ambiente condizioni favorevoli, in particolare disponibilità di acqua e di ossigeno e temperature adatte per l’attività metabolica di quella data specie.

Queste condizioni sono necessarie ma non sempre sufficienti. Molto spesso un seme viene disperso dalla pianta madre in una condizione che viene definita di “dormienza”. Con questo termine si intende dire che esistono ostacoli alla germinazione che risiedono nel seme stesso e non nell’ambiente esterno (acqua, ossigeno ecc.). Un seme quindi è definito dormiente quando non germina in presenza di condizioni esterne adatte alla germinazione.

Questo comportamento è un mezzo estremamente efficace per assicurare la propagazione e la diffusione della specie. La stessa condizione di quiescenza (caratterizzata dalla capacità di restare vitale per lunghi periodi anche in presenza di condizioni avverse e di reagire prontamente alla presenza di condizioni favorevoli) è un efficace strumento per realizzare questi obbiettivi. Ma non sufficiente, almeno in ambienti caratterizzati da stagionalità accentuata, con forti e anche non prevedibili variazioni ambientali. Ed è infatti nelle specie di questi ambienti che sono prevalenti i casi di dormienza.

Le fasi successive alla germinazione vera e propria sono infatti molto critiche: l’embrione cresce inizialmente a spese delle riserve accumulate nel seme e, rapidamente, deve diventare pianta capace di vita autonoma. Per questo deve trovare nell’ambiente condizioni favorevoli, ma non sempre coincidenti con quelle adatte alla germinazione ed anche una illuminazione adeguata per lo svolgimento della fotosintesi.

In più, è proprio in questa fase di rapida crescita che la giovane pianta non è più protetta, a differenza del seme quiescente, nei confronti di avversità climatiche ma, anzi, è a queste molto sensibile, come tutte le strutture in attiva crescita. Poiché l’obbiettivo non è solo la nascita ma l’affermazione di un nuovo individuo della specie, un seme dovrebbe...