L’incessante aumento della popolazione mondiale ed il conseguente incremento della richiesta di risorse alimentari ed energetiche, congiuntamente al mutevole scenario climatico, sempre più incline a periodi di siccità prolungata in misura sempre maggiore in alcune zone del pianeta, fa sì che sempre più attenzione sia rivolta allo sviluppo ed all’implementazione di risorse energetiche rinnovabili a bassi input. Il sorgo zuccherino (Sorghum bicolor Moench) è una coltura bioenergetica in grado di fornire cibo, bioetanolo e biogas. Lo studio di tale coltura in risposta al deficit idrico promuove una più approfondita conoscenza dei meccanismi alla base dei processi fotosintetici, e di come, e quanto, questi possano essere influenzati dall’assenza temporanea, o più o meno prolungata, di disponibilità idrica. La produzione di biomassa e la sua composizione chimica sono state valutate per genotipi di nuova costituzione in confronto a quelli già disponibili in commercio, ai fini della produzione di biogas e bioetanolo. Una più approfondita analisi fisio-fenologica e molecolare è stata condotta su sei genotipi di sorgo con lo scopo di combinare in una visione di insieme più integrata la risposta alla siccità in sorgo. Due genotipi (uno sensibile e l’altro tollerante la siccità) sono stati selezionati per l’analisi trascrittomica in risposta allo stress idrico al fine di individuare geni candidati potenzialmente utili ai fini di una selezione assistita da marcatore. / Due to the increasing human population and the consequent surging energy and water demand, it is necessary to implement energy and fuel production from low input renewable sources. Sweet sorghum (Sorghum bicolor Moench) is a low input multipurpose crop that provides food, feed and bioethanol from conversion of sugars accumulated in the stalk and biogas from anaerobic digestion of whole aboveground dry biomass. This multipurpose crop was studied in response to water deficit. In particular, the biomass production and its composition were evaluated in response to drought for new developed and commercial genotypes for biogas and bioethanol production. The physiologic and molecular approaches were combined in order to provide an integrated view on drought tolerance in sorghum enabling to know which are the mechanisms and with which extent they were affected by drought in this bioenergy crop. The transcriptomic analysis was performed on two sorghum genotypes (one sensitive and the other one tolerant to drought) with RNA-Seq technology in order to evaluate the diversity existing in the sorghum transcriptome that could be related to drought tolerance and to identify candidate genes that could be used as potentially marker for the marker assisted selection.

L’insicurezza alimentare colpisce soprattutto le famiglie rurali povere che vivono di agricoltura di sussistenza nei Paesi in via di Sviluppo. Nell’ottica di fornire un supporto alle comunità che si trovano in queste condizioni, L’Università Cattolica del Sacro Cuore e la Fondazione Romeo ed Enrica Invernizzi hanno avviato nel 2012 il progetto “Produzione di cibo appropriato, sufficiente, sicuro e sostenibile”. Il progetto si propone di avviare Centri Pilota in collaborazione con le diocesi che promuovano uno una intensificazione delle produzioni agricole e una dieta sostenibile dal punto di vista etico-sociale, economico e ambientale. I Paesi in cui opera il progetto sono l’India (Meghalaya State) e la Repubblica Democratica del Congo – RDC (Lomami province). Con l’aiuto dei team locali sono state raccolte informazioni sulle abitudini produttive e alimentari della popolazione. Su questi dati è stata svolta una analisi circa l’impatto che il progetto ha avuto sulla sicurezza alimentare (disponibilità e accesso) delle famiglie coinvolte. Il numero di polli allevati (India) e l’Household Dietary Diversity Score (India and RDC) sono stati utilizzati come proxy per la disponibilità e l’accesso di cibo, rispettivamente. L’analisi statistica è stata effettuata usando differenti approcci dello Propensity Score Match (Logit + Nearest Neighbour and GenMatch) per valutare ATT (Effetto medio del trattamento sul gruppo “trattato”). Per quanto riguarda l’India sono stati analizzati i) il numero di polli allevati (food availability) e ii) l’HDDS (Household Dietary Diversity) per la food access. Il progetto ha avuto un impatto positivo ma non significativo sul numero di polli allevato, che però non si è tradotto in un miglioramento dell’HDDS delle famiglie di piccoli agricoltori coinvolti nel progetto. Per la RDC è stato analizzato solo l’impatto sulla food access (HDDS). In questo caso l’impatto del progetto sulla sicurezza alimentare dei piccoli agricoltori è stato positivo ma non significativo. I risultati mostrano che un miglioramento nella qualità della dieta (HDDS) implica, oltre ad un miglioramento delle produzioni (in qualità e in quantità), è necessario anche un miglioramento della educazione (anche nutrizionale) e dell’accesso al mercato. / Food Insecurity (FI) affects especially poor rural people that rely on Subsistence Agriculture in developing countries. With the purpose to help the community that living in that conditions, in 2012 the Università Cattolica del Sacro Cuore and the Fondazione Romeo ed Enrica Invernizzi have started the “Production of appropriate food: safe sufficient and sustainable” project. The project aims to open Pilot Center in agreement with local Diocese to promote the Agricultural production Intensification agriculture and Diets that are sustainable (ethical, economic and environmental). The project is active in India (Meghalaya State) and the Democratic Republic of Congo (Lomami Province). Helped by the local team, information was collected on production and diets habits. An analysis of the impact that the project had on food security (availability and access) of the families involved was carried out on these data. Number of Chicken (India) and Household Dietary Diversity Score - HDDS (India and DRC) as a proxy for food availability and access, were respectively utilised. Thus, we used different Propensity Score Match approach (Logit + Nearest Neighbour and GenMatch) to evaluate the ATT (average treatment effect on the treated group). Regarding India, the number of chickens bred (as food availability) and the HDDS (food access) were analyzed. While the number of chickens bred is positive but not significant, the HDDS values of smallholder farmers involved in the project did not improved. Moving to DRC, only the HDDS was analyzed. In this case, the project had a positive impact on beneficiary families, but it was not significant. The results point out that diet improving (HDDS) advances the production, both in quality and quantity, but is not a sufficient condition per se. Furthermore, it is also essential to enhance the educational path which focuses on nutritional issues and the access to food from market.

Questa tesi di dottorato analizza l’utilizzo del sorgo (Sorghum bicolour (L.) Moench) al fine di produrre energia elettrica, tramite combustione diretta della biomassa. Il focus della tesi è stato quello di sottolineare i benefici ed i rischi associati all’uso di tre genotipi di sorgo caratterizzati da diversa lunghezza del ciclo culturale (precoce, medio-tardivo e tardivo). La dinamica e la durata del processo di essicazione in campo sono state simulate attraverso un modello ad hoc (“sorghum haying model”), il quale integrato a CropSyst, è stato utilizzato per realizzare un’analisi del rischio produttivo stimando le perdite di biomassa (respirazione e meccanizzazione), ed i mancati affienamenti. Nell’analisi del rischio vengono stimati il numero di ettari necessari e la probabilità di eccedere la soglia di 64.000 ton ss anno-1 necessari per l’alimentazione di una centrale nell’Oltrepò pavese . Inoltre uno studio di Life Cycle Assessment è stato condotto per la valutazione dell’impatto ambientale dell’utilizzo del sorgo integrato a quello della paglia per il completamento del fabbisogno totale della centrale 94.000 ton ss anno-1. Particolare attenzione inoltre è stata data alla variazione del contenuto di C organico del suolo dovuto alla rimozione della paglia ed all’interramento dei mancati affienamenti di sorgo. Il genotipo precoce mostra le migliori performance produttive ed energetiche oltre che la più alta probabilità di eccedere la soglia di 64.000 ton ss anno-1. Lo studio di LCA non ha mostrato differenze significative tra i genotipi anche se il minor impatto ambientale, è stato evidenziato dal genotipo tardivo conseguenza dell’interramento della più alta quantità di mancati affienamenti. / This PhD thesis explores the use of sorghum (Sorghum bicolour (L.) Moench) as a dedicated bio-energy crop and highlights the benefits and risks associated with the use of early, medium-late and late sorghum genotypes to generate electricity by direct combustion in a biomass power plant. The dynamics and duration of the field drying process were simulated through the development of a specific model ("sorghum haying model"), which integrated with CropSyst, was used to perform a production risk assessment analysis estimating the biomass losses (respiration and mechanical), the haymaking failures and consequently to quantify the amount of dry baled biomass available for the power plant. In addition, the number of hectares needed to plant sorghum and the probability to exceed the threshold of 64000 Mg DM y-1, necessary to feed a biomass power plant in Oltrepò Pavese, were estimated. A complete Life Cycle Assessment (LCA) study was carried out in order to evaluate the environmental impact of the three sorghum genotypes involved in this study. The LCA study takes into consideration the use of winter wheat straw as an additional biomass source to satisfy the total biomass power plant needs (94000 Mg DM y-1). Particular attention was given to the soil organic C change (ΔSOC) due to straw removal and haymaking failures soil incorporation. Early genotype showed the best biomass production and energy performance as well as the highest probability to exceed the threshold of 64000 Mg DM y-1. The LCA results did not show significant differences between genotypes although the lower environmental impact, has been achieved by the late genotype due to the highest amount of haymaking failures incorporated in the soil.