Studio del ruolo delle dinamiche del Ca2+ mitocondriale sui meccanismi di acquisizione del ferro e dello zolfo in piante di Arabidopsis thaliana

In recent decades, intensive agricultural practices and stresses related to climate change have led to a significant decline in soil nutrient content. In the perspective of sustainable agriculture, understanding the mechanisms underlying the perception, signaling, and homeostasis of nutrients is therefore of great importance. Several studies suggest that Ca²⁺, an important second messenger, plays a fundamental role in regulating stress related to nutrient deficiency. However, little information is available regarding Ca²⁺ signaling under conditions of iron (Fe) and sulfur (S) deficiency. Fe and S have been selected for their role in metabolic processes such as photosynthesis and respiration. Furthermore, the nutritional status of S influences Fe metabolism, and vice versa, at the level of absorption, assimilation, and activity, determining unique behaviors in case of double Fe and S deficiency. The interaction between these nutrients occurs particularly at the mitochondrial level. They are in fact required in large quantities in mitochondria, mainly for proteins containing Fe-S centers. For this reason, the mitochondrion could intervene in the regulation of the response to double deficiency, possibly mediated by Ca²+ dynamics. This thesis aimed to study the possible role of mitochondrial Ca²⁺ dynamics in responses to single and double Fe and S deficiency in Arabidopsis thaliana, using a knockout mutant (mcu123) for MCU transporters (Mitochondrial Calcium Uniporter), responsible for the import of Ca²⁺ into the mitochondrion. Nutritional deficiencies were induced both in vitro and in hydroponics, through the complete absence of Fe, S, or both nutrients. Plant responses were evaluated by: (i) measuring biomass and root growth, (ii) quantifying photosynthetic pigments, (iii) measuring physiological parameters related to photosynthetic efficiency, and (iv) investigating the expression of genes involved in Fe and S absorption and jasmonate metabolism and signaling. The results obtained from the analysis of the macroscopic phenotype and photosynthetic efficiency highlighted some significative differences between the mutant and the wild type, under various growth conditions. Investigations on the expression of genes responsible for responses to Fe and S nutritional deficiencies confirm the presence of altered responses in the mcu123 mutant, suggesting the involvement of mitochondrial Ca²⁺ dynamics in the regulation of responses to these deficiencies. The results obtained in this thesis can provide a starting point for further investigating the role of mitochondrial Ca²⁺ dynamics in responses to Fe and S nutritional deficiencies and better defining the mechanisms underlying the processes involved.

Negli ultimi decenni, le pratiche di agricoltura intensiva e gli stress legati al cambiamento climatico hanno causato un forte calo del contenuto di nutrienti nel suolo. In un’ottica di agricoltura sostenibile, comprendere i meccanismi alla base della percezione, della segnalazione e dell’omeostasi dei nutrienti è quindi di grande importanza. Diversi studi suggeriscono che il Ca2+, un importante messaggero secondario, abbia un ruolo fondamentale nella regolazione dello stress legato alla carenza nutrizionale. Tuttavia, poche informazioni sono disponibili in merito alla segnalazione del Ca2+ in condizioni di carenza di ferro (Fe) e di zolfo (S). Fe e S sono stati selezionati per il loro ruolo in processi metabolici come la fotosintesi e la respirazione. Inoltre, lo stato nutrizionale dello S influenza il metabolismo del Fe, e viceversa, a livello di assorbimento, assimilazione e attività, determinando comportamenti unici in caso di doppia carenza di Fe e S. L’interazione tra questi nutrienti si verifica in modo particolare a livello mitocondriale. Sono infatti richiesti in grande quantità nei mitocondri, principalmente per le proteine contenenti centri Fe-S. Per questo motivo, il mitocondrio potrebbe intervenire nella regolazione della risposta alla doppia carenza, eventualmente mediata dalle dinamiche del Ca2+. Questa tesi ha avuto l’obiettivo di studiare il possibile ruolo delle dinamiche del Ca2+ mitocondriale nelle risposte alla singola e doppia carenza di Fe e S in Arabidopsis thaliana, mediante l’utilizzo di un mutante knock out (mcu123) per i trasportatori MCU (Mitochondrial Calcium Uniporter), responsabili dell’internalizzazione del Ca2+ nel mitocondrio. Le carenze nutrizionali sono state indotte sia in vitro sia in idroponica, attraverso la completa assenza di Fe, di S o di entrambi i nutrienti. Le risposte delle piante sono state valutate mediante: (i) la misura della biomassa e della crescita radicale, (ii) la quantificazione dei pigmenti fotosintetici, (iii) la misura di parametri fisiologici legati all’efficienza fotosintetica e (iv) l’indagine dell’espressione di geni coinvolti nell’assorbimento del Fe e dello S e nel metabolismo e segnalazione del jasmonato. I risultati ottenuti dalle analisi del fenotipo macroscopico e sull’efficienza fotosintetica hanno evidenziato alcune differenze significative tra il mutante e il wild type, nelle varie condizioni di crescita. Le indagini sull’espressione dei geni responsabili delle risposte alle carenze nutrizionali di Fe e S confermano la presenza di alterazioni delle risposte nel mutante mcu123, suggerendo il coinvolgimento delle dinamiche del Ca2+ mitocondriale nella regolazione delle risposte a queste carenze. I risultati ottenuti in questa tesi possono fornire un punto di partenza per approfondire il ruolo delle dinamiche del Ca2+ mitocondriale nelle risposte alle carenze nutrizionali di Fe e S e meglio definire i meccanismi alla base dei processi coinvolti.