Ruolo dei nutrienti minerali e della loro interazione nelle risposte acclimatative alla siccità in piante di frumento duro (Triticum durum Desf.)

Climate change represents one of the most insidious challenges of our time. Among extreme events, drought is one of the most devastating for agriculture. Cereal production, including durum wheat, is particularly susceptible to the effects of climate change, particularly in the Mediterranean region. The impact of water stress on plant growth is multifaceted, leading to alterations in morphology, structure, physiology, and genetics, as well as changes in nutritional profile. In a future characterized by increasingly frequent adverse climatic conditions, coupled with a growing threat to food security and water availability, it is essential to further study plant responses to water stress and to analyze the relationships between nutrients as they are acquired from the soil, with the aim of improving agricultural productivity and meeting global nutritional requirements. The first objective of this work is to study the effect of different levels of water stress on nutrient content in Triticum durum genotypes (Svevo, tolerant and Senatore Cappelli, susceptible) with different susceptibility to water stress. Plants were grown in hydroponic solution with the addition of polyethylene glycol (PEG 6000) at increasing concentrations (2.5%, 5%, 10%, 15%) to simulate water stress. Chemical and molecular analyses showed a different response between the two varieties in terms of accumulation of cations (K+, Mg2+ and Ca2+) and anions (PO43-, NO3- and SO42-), in the expression of genes encoding aquaporins (TdPIP2.1 and TdPIP2.2) and water stress marker genes (TdDRF1 and TdSHN1), suggesting a stress perception already at low PEG concentrations in Senatore Cappelli compared to Svevo. Furthermore, the results show a different modulation of nutrient acquisition and accumulation mechanisms in the two genotypes under conditions of water stress. Among these, variations in SO42- content may be a discriminator of the degree of susceptibility to water stress between durum wheat genotypes. Nevertheless, further investigation of these effects is necessary, given the existing interactions between nutrients in the plant. In this work, an experiment was carried out to understand the impact of varying sulphur (S) availability in durum wheat on its capacity to absorb another essential plant nutrient, iron (Fe). Plants of the Svevo variety were grown in hydroponic solution under controlled conditions and exposed to different concentrations of S (0 mM, 1.2 mM, 2.4 mM) and Fe (20 µM, 50 µM, 80 µM). Molecular analysis revealed that the modulation of the expression of S-deficiency response genes (e.g. TdSULTR1.1 and TdSAT1) is dependent on Fe supply. Similarly, the modulation of expression of Fe-deficiency response genes (e.g. TdYSL) was observed to be influenced by S supply, suggesting that optimal S supply is crucial for Fe acquisition processes. These results suggest further areas of future investigation to understand the mechanisms of mineral nutritional regulation in response to water stress.

Il cambiamento climatico rappresenta una delle sfide più insidiose del nostro tempo: tra gli eventi estremi, la siccità è tra i più devastanti per l’agricoltura. La produzione di cereali, come il frumento duro, risulta particolarmente colpita, specialmente nel bacino del Mediterraneo. Lo stress idrico influisce sulla crescita delle piante, spingendole a adottare cambiamenti morfo- strutturali, fisiologici e genetici, e a modificare il loro profilo nutrizionale. In un futuro caratterizzato da condizioni climatiche avverse sempre più frequenti, insieme a una crescente minaccia per la sicurezza alimentare e la disponibilità di risorse idriche è essenziale approfondire lo studio delle risposte delle piante allo stress idrico ed analizzare le relazioni tra i nutrienti durante la loro acquisizione dal suolo, con l’obiettivo di migliorare la produttività agricola e assicurare il fabbisogno nutrizionale globale. Il primo scopo di questa tesi è quello di indagare l’impatto di un diverso grado di stress idrico sul contenuto dei nutrienti in genotipi di Triticum durum (Svevo, tollerante e Senatore Cappelli, suscettibile) a diversa suscettibilità allo stress idrico. Le piante sono state coltivate in soluzione idroponica con l’aggiunta di polietileneglicole (PEG 6000) a concentrazioni crescenti (2,5%, 5%, 10%, 15%), per simulare lo stress idrico. Le analisi chimiche e molecolari hanno evidenziato una risposta differenziata tra le due varietà in termini di accumulo di cationi (K+, Mg2+e Ca2+) e anioni (PO43−, NO3− e SO42−), nell'espressione dei geni codificanti per le acquaporine (TdPIP2.1 e TdPIP2.2) e dei geni marcatori dallo stress idrico (TdDRF1 e TdSHN1), suggerendo una percezione dello stress già a basse concentrazioni di PEG in Senatore Cappelli rispetto a Svevo. Inoltre, i risultati mostrano una diversa modulazione dei meccanismi di acquisizione e di accumulo dei nutrienti nei due genotipi in condizioni di stress idrico. Tra questi, le variazioni nel contenuto di SO42− possono rappresentare una discriminante del grado di suscettibilità allo stress idrico tra genotipi di frumento duro. Tuttavia, è necessario indagare tali effetti considerando le interazioni esistenti tra i nutrienti in pianta. In questo lavoro di tesi è stata avviata una sperimentazione per comprendere come, in frumento duro, le variazioni della disponibilità di zolfo (S) possano influire sulla capacità di acquisire un altro nutriente essenziale per la pianta: il ferro (Fe). Le piante della varietà Svevo sono state coltivate in soluzione idroponica in condizioni controllate e sottoposte diverse concentrazioni di S (0mM, 1,2 mM, 2,4 mM) e di Fe (20 μM, 50 μM, 80 μM). L’analisi molecolare ha rivelato che la modulazione dell’espressione dei geni di risposta alla S carenza (e.g. TdSULTR1.1 e TdSAT1) è dipendente dalla dotazione di Fe. Analogamente, è stato possibile osservare che la modulazione dell’espressione dei geni di risposta alla Fe carenza (e.g. TdYSL) è influenzata dalla dotazione di S, suggerendo che la dotazione ottimale di S è fondamentale per i processi di acquisizione del Fe. Tali risultati suggeriscono ulteriori campi di indagine futuri per la comprensione dei meccanismi di regolazione della nutrizione minerali in risposta allo stress idrico.