Fisiologia dello stress delle piante e meccanismi di memoria adottati in risposta a stress da siccità e salinità

Plants are sessile organisms that have had to develop extremely complex strategies to defend themselves against the stresses to which they are exposed. The mechanisms they use involve various signaling pathways, different genes, and epigenetic mechanisms that regulate metabolic and hormonal processes, thus making them multilayered and multiprocess. This thesis aims to illustrate the main damages caused by two abiotic stresses, drought and high salinity, and the response mechanisms implemented by plants to ensure their survival. Among the response mechanisms, of particular interest is the process by which plants can remember past experiences, defending themselves more effectively when stress conditions reoccur. This process is known as plant stress memory (PSM). It is a highly promising mechanism for economic impact, as it can be used to preserve agricultural production, which is increasingly threatened by climate change and its negative effects on the abiotic stresses studied here. The first article investigated whether preliminary exposure of wheat plants (111 genotypes) to continuous drought stress during the first 50 days of the plant’s life could mitigate the effects of a drought event during the germination of the next generation. The mechanisms and genes involved in controlling transgenerational drought stress memory were explored. By combining GWAS and LD analysis, seven genomic regions on five different chromosomes were mapped, significantly associated with various traits (germination morphological parameters and antioxidant activity) that were useful for a more efficient drought stress response. The second article investigated whether preliminary exposure of rice plants (BRS AG cultivar) to saline stress during the vegetative phase could mitigate the effects of a drought event experienced during the grain-filling phase. The mechanisms enabling cross-tolerance to different types of stress were identified by evaluating transcriptional and physiological responses. Notably, an increase in abscisic acid (ABA) content was found in leaves and roots, highlighting its key role in cross-tolerance. ABA influences gene reprogramming, growth regulation, and antioxidant responses, ultimately leading to reduced shoot growth in favor of increased root growth.

Le piante sono organismi sessili che hanno dovuto sviluppare strategie estremamente complesse per difendersi dagli stress a cui sono soggette. I meccanismi da loro utilizzati coinvolgono diverse vie di segnalazione, diversi geni e meccanismi epigenetici che regolano processi metabolici e ormonali, risultando così essere multilivello e multiprocesso. Questa tesi è volta a illustrare i principali danni causati da due stress abiotici, la siccità e l’elevata salinità, e i meccanismi di risposta attuati dalle piante al fine di garantire la propria sopravvivenza. Tra i meccanismi di risposta, di particolare interesse è il processo con il quale le piante riescono a ricordare le esperienze passate, difendendosi in maniera più efficace al ripresentarsi di condizioni di stress, processo noto come memoria dello stress nelle piante (PSM). Si tratta di un meccanismo di grande potenzialità per le ricadute economiche, poiché è utilizzabile per preservare la produzione agricola, sempre più minacciata dal cambiamento climatico il quale può determinare effetti negativi proprio sugli stress abiotici studiati. Nel primo articolo è stato indagato se l’esposizione preliminare di piante di frumento (111 genotipi) a uno stress da siccità continuativo, per i primi 50 giorni di vita della pianta, avesse il potenziale di mitigare gli effetti di un evento di siccità durante la germinazione della generazione successiva. Sono stati esplorati i meccanismi e i geni coinvolti nel controllo della memoria transgenerazionale nello stress da siccità. Combinando l'analisi GWAS e LD, sono state mappate sette regioni genomiche su 5 cromosomi diversi, associate in maniera statisticamente significativa a diverse caratteristiche (parametri morfologici di germinazione e attività delle molecole antiossidanti) risultate utili in una risposta più efficiente allo stress da siccità. Nel secondo articolo è stato investigato se l'esposizione preliminare delle piante di riso (cultivar BRS AG) a uno stress salino, durante la fase vegetativa, avesse il potenziale di mitigare gli effetti di un evento di siccità sperimentato durante la fase di riempimento dei grani. Sono stati identificati i meccanismi che permettono la tolleranza incrociata a stress di tipologia differente, valutando risposte trascrizionali e fisiologiche. In particolare, è stato riscontrato un aumento del contenuto di acido abscissico (ABA) in foglie e radici, evidenziando come questo svolga un ruolo chiave nella cross-tolleranza, influenzando la riprogrammazione genica, la regolazione della crescita e le risposte antiossidanti, determinando infine una riduzione della crescita della parte aerea a favore di una maggiore crescita radicale.