I progetti di ricerca coordinati dal Prof. Nardini vanno dalla comprensione di base dei processi fisiologici delle piante legati all’assorbimento e trasporto dell'acqua, alla ricerca applicata in ecologia forestale. I tratti funzionali che assicurano efficienza e sicurezza per i sistemi di trasporto dell'acqua delle piante sono studiati con una combinazione di strumenti biofisici, molecolari ed ecologici. Esperimenti controllati in serra e in laboratorio, e indagini sul campo sono utilizzati per studiare come il bilancio idrico delle piante sia influenzato da diversi parametri ambientali e come le piante affrontino la riduzione della disponibilità di acqua. Metodologie non invasive all’avanguardia quali la microtomografia a raggi X (Micro-CT) vengono adottate per validare e affiancare quelle più classiche utilizzate nello studio dell’idraulica delle piante.

1 - Ricostruzione 2D di una sezione trasversale di fusto di pioppo nero ottenuta tramite microtomografia ai raggi X

Principali linee di ricerca

1-     Meccanismi della mortalità degli alberi indotta da siccità: dalle basi fisiologiche alle conseguenze ecologiche

Il riscaldamento globale sta contribuendo ad un aumento della frequenza e dell'intensità delle ondate di calore e degli eventi di aridità in diverse aree del pianeta. Una delle conseguenze di questi eventi climatici estremi è la morte degli alberi nelle foreste. La mortalità degli alberi implica una riduzione della produttività primaria netta e una conversione degli ecosistemi forestali da pozzi di carbonio a fonti di carbonio, con impatti sul clima su scala regionale e modifiche dei processi competitivi e conseguenze sulla biodiversità e la stabilità degli ecosistemi. Il nostro lavoro indaga i meccanismi fisiologici che collegano la siccità alla mortalità degli alberi. La siccità prolungata o intensa causa una progressiva diminuzione del potenziale idrico della pianta che porta all'embolia xilematica e al blocco del trasporto di acqua da radice a foglia, fino al completo disseccamento della pianta. D'altra parte, la chiusura stomatica per prevenire l'embolia xilematica causa una riduzione della fotosintesi che porta a un calo progressivo delle riserve di carboidrati non strutturali. Vengono studiate le connessioni tra danni idraulici e metabolismo del carbonio, e in particolare il ruolo dei carboidrati non strutturali nel regolare la loro funzionalità durante stress idrico e nella fase di recupero post-stress. Al momento stiamo indagando il ruolo dei danni idraulici e metabolici nel declino degli alberi e nella loro capacità di recupero.

2-     La matrice rocciosa come risorsa idrica per le piante nei periodi di siccità

Un’elevata percentuale degli habitat terrestri è caratterizzata da suoli poco profondi e, quindi, dalla prevalenza di una matrice rocciosa più o meno compatta. Il Carso Classico ne è un esempio. L’acqua disponibile nelle rocce può spiegare le variazioni spaziali nello stato idrico della vegetazione e i pattern di mortalità negli habitat dominati dalle rocce durante eventi siccitosi. Inoltre, rocce con maggiore porosità sono in grado di immagazzinare elevati quantitativi d’acqua che possono essere resi disponibili per le piante, specialmente durante periodi siccitosi. Siamo interessati a caratterizzare e quantificare il trasporto di acqua tra i comparti roccia-suolo-radice, e a comprendere quali condizioni permettano il rilascio di acqua dalla roccia e l’assorbimento dalle radici. 

2 - Radici penetrate all’interno di una grotta carsica attraverso fessurazioni rocciose

3-    Architettura idraulica della foglia

La rete intricata delle venature fogliari è un meraviglioso esempio di ingegneria evolutiva, e la vascolarizzazione delle foglie ha sempre affascinato gli scienziati, così come gli artisti. Dal punto di vista funzionale, questo complesso sistema idraulico è ottimizzato per rifornire efficientemente di acqua le cellule fotosintetiche, bilanciando così l'enorme quantità di acqua che le piante perdono nell'atmosfera durante il processo di traspirazione. Infatti, grandi perdite d'acqua sono inevitabilmente accoppiate all'apertura stomatica e alla diffusione di CO₂ dall'atmosfera all'interno delle foglie, un processo fondamentale per alimentare i processi fotosintetici.
Nel nostro laboratorio analizziamo le relazioni strutturali e funzionali tra l'architettura del sistema di venature e l'efficienza idraulica delle foglie. Siamo particolarmente interessati alle risposte della conduttanza idraulica fogliare a diversi fattori ambientali, e in particolare allo stress idrico. Analizziamo le relazioni tra efficienza idraulica delle foglie e sicurezza. Siamo inoltre interessati ai compromessi tra costi di costruzione delle foglie, sicurezza ed efficienza idraulica e le conseguenze ecologiche in termini di competitività e distribuzione delle specie in habitat diversi, su scale spaziali locali, regionali e globali.
Utilizziamo strumenti anatomici, biofisici e molecolari per studiare l'architettura idraulica delle foglie e applichiamo le conoscenze di base allo sviluppo di criteri di screening per identificare genotipi di piante resistenti alla siccità.

4-     Approcci ecofisiologici per migliorare la sopravvivenza della vegetazione nel verde pensile estensivo

I sistemi a verde pensile rientrano nelle cosiddette “Nature-Based Solutions” come strumento di sostenibilità edilizia e urbanistica con obiettivi quali la mitigazione e l’adattamento al cambiamento climatico, soprattutto in ambito urbano. La loro implementazione in regioni soggette ad ondate di calore estive e a prolungati periodi di siccità rappresenta una sfida sia per garantire la sopravvivenza delle piante che per l’utilizzo sostenibile dell’irrigazione. Grazie alla collaborazione con aziende leader nel settore del verde pensile, applichiamo le conoscenze e le metodologie proprie dall’ecofisiologia delle piante per migliorare lo stato fisiologico della vegetazione su verde pensile estensivo, ovvero caratterizzato da ridotti spessori del substrato (inferiori a 15 cm). Gli obiettivi perseguiti sono la selezione di specie tolleranti lo stress termico ed idrico, la riduzione delle temperature dei substrati e il risparmio idrico.