Investigating the effect of a new biostimulant prototype on responses of Lactuca sativa L. to hypoxia

Negli ultimi anni, l’aumento della temperatura atmosferica legato al cambiamento climatico ha causato un incremento delle forti precipitazioni e nei periodi di intensa siccità spesso si verificano brevi piogge molto abbondanti. L’allagamento rappresenta quindi un importante fattore di stress che influenza la qualità e la resa delle colture in tutto il mondo, principalmente a causa della limitazione temporale della disponibilità di ossigeno che comporta nelle piante. In quanto organismi aerobi obbligati, le piante hanno infatti bisogno dell'ossigeno per svolgere le funzioni vitali, completare correttamente lo sviluppo e regolare le risposte di acclimatazione all'ambiente. Di conseguenza, la mancanza di apporto di ossigeno ne compromette la maggior parte delle funzioni cellulari. In questo contesto, l'utilizzo di biostimolanti potrebbe rappresentare una soluzione sostenibile ed economicamente vantaggiosa per migliorare le pratiche agricole applicabili contro stress abiotici legati al cambiamento climatico, come eventi alluvionali imprevisti. Ampliare la conoscenza sull’azione dei biostimolanti sulle piante a livello fisiologico, cellulare e molecolare, anche in condizioni di stress, rappresenta un punto chiave per definire meglio l’efficacia di questa strategia agronomica.Questa tesi ha avuto l’obbiettivo di studiare gli effetti di un nuovo prototipo ad azione biostimolante sulle risposte di Lactuca sativa L. alla carenza di ossigeno (ipossia). Lo stress ipossico è stato indotto considerando sia una sommersione parziale (radicale) che totale della pianta attraverso la messa a punto di due piani sperimentali separati. Per entrambi i settaggi sperimentali, la concentrazione del prodotto, il numero di trattamenti e lo stadio di crescita delle piante a cui è avvenuta l’applicazione sono rimasti invariati. Le risposte delle piante allo stress da allagamento sono state valutate attraverso: (i) la misura di parametri fisiologici legati all’efficienza fotosintetica, (ii) la valutazione del livello di stress ossidativo delle foglie tramite saggi spettrofotometrici per quantificare i marcatori di stress e studiare il macchinario antiossidante enzimatico e non enzimatico delle foglie, (iii) la valutazione dello stato nutrizionale della pianta attraverso la quantificazione degli anioni a livello fogliare tramite elettroforesi capillare (esclusivamente per quanto riguarda lo stress da sommersione totale) e (iv) l’indagine dell’espressione di geni marcatori per l’ipossia (esclusivamente per quanto riguarda lo stress da sommersione totale).I risultati preliminari sui marcatori di stress ossidativo suggeriscono un potenziale effetto di priming di questo nuovo prototipo e il suo ruolo nel mitigare il livello di stress ossidativo in condizioni di completa sommersione. Le indagini in corso sull'espressione dei geni indotti dalla carenza di ossigeno potrebbero essere utilizzate per convalidare questi dati. I risultati ottenuti in questa tesi possono fornire nuove informazioni sugli effetti dei biostimolanti sulle risposte della lattuga all'ipossia e possono aiutare a evidenziare i meccanismi di azione del prototipo selezionato, in termini di priming e modulazione delle risposte allo stress da allagamento.

In recent years, climate change has led to intense drought, often alternating with heavy precipitation events. Flooding thus represents a major stress factor affecting the quality and yield of crops worldwide, due to the temporal limitation of oxygen availability it leads in plants. As obligate aerobic organisms, plants indeed need oxygen and its by-products to perform vital functions, development and acclimation responses to the changing environment. Consequently, a lack in oxygen supply compromises most cellular functions in plants. In this context, using biostimulants could represent a sustainable and economically favourable solution to improve agricultural practices applicable against environmental stress conditions such as unanticipated flooding events. Acquiring knowledge of biostimulant action on plants at physiological, cellular and molecular levels represents a key point for defining the efficiency of these agronomic strategies. This thesis aimed to investigate the effects of a new biostimulant prototype on responses of Lactuca sativa L. to oxygen deprivation (hypoxia). Two different approaches were used: (i) induction of a waterlogging condition (submersion of the root system), and (ii) a complete submersion of the plant. In both experimental settings, the biostimulant product was used at the same concentration, keeping the number of spray treatment applications and their occurrence along plant growth unchanged. Treated and control plants have been tested to verify their response to flooding stress through (i) measurement of physiological parameters related to photosynthetic efficiency; (ii) evaluation of leaf oxidative stress level, by performing spectrophotometric assays to quantify oxidative stress markers and to study leaf antioxidant machinery; (iii) investigation of hypoxia marker genes expression, by performing qPCR (only for the complete submergence setting). Preliminary results on oxidative stress markers suggest a potential priming effect of this new product prototype, and its eventual role in mitigating oxidative stress level under complete submergence conditions. The ongoing investigations on the antioxidant machine and on the expression of oxygen-deficiency induced genes could be used to validate these preliminary data. The results obtained in this thesis can provide new insights on the effects of biostimulants on lettuce responses to hypoxia and may help in highlighting the selected prototype mechanisms of action, in terms of priming and modulation of responses to flooding stress.