Regolatori della crescita delle piante (PGR)rappresentano un modo conveniente per migliorare le difese delle piante in condizioni di stress. Questo studio ha indagato la capacità di duePGR, tiourea (TU) e arginina (Arg), per alleviare lo stress salino nel grano. I risultati hanno mostrato che TU e Arg, soprattutto se usati insieme, potrebbero regolare la crescita delle piante in condizioni di stress salino. I loro trattamenti hanno aumentato significativamente l'attività degli enzimi antiossidanti, riducendo al contempo i livelli di specie reattive dell'ossigeno (ROS), malondialdeide (MDA) e perdita relativa di elettroliti (REL) nelle piantine di grano. Inoltre, questi trattamenti hanno ridotto significativamente le concentrazioni di Na+ e Ca2+ e il rapporto Na+/K+, aumentando al contempo significativamente la concentrazione di K+, mantenendo così l'equilibrio ionico-osmotico. Ancora più importante, TU e Arg hanno aumentato significativamente il contenuto di clorofilla, il tasso di fotosintesi netto e il tasso di scambio gassoso delle piantine di grano in condizioni di stress salino. TU e Arg, usati da soli o in combinazione, potrebbero aumentare l'accumulo di sostanza secca del 9,03-47,45%, e l'aumento è stato maggiore quando usati insieme. In conclusione, questo studio evidenzia che il mantenimento dell'omeostasi redox e dell'equilibrio ionico è importante per migliorare la tolleranza delle piante allo stress salino. Inoltre, TU e Arg sono stati raccomandati come potenzialiregolatori della crescita delle piante,soprattutto se usati insieme, per aumentare la resa del grano.
I rapidi cambiamenti climatici e le pratiche agricole stanno aumentando il degrado degli ecosistemi agricoli1. Una delle conseguenze più gravi è la salinizzazione del terreno, che minaccia la sicurezza alimentare globale2. La salinizzazione colpisce attualmente circa il 20% dei terreni coltivabili in tutto il mondo e questa percentuale potrebbe aumentare al 50% entro il 20503. Lo stress salino-alcalino può causare stress osmotico nelle radici delle colture, che altera l'equilibrio ionico nella pianta4. Tali condizioni avverse possono anche portare a un'accelerazione della degradazione della clorofilla, a una riduzione dei tassi di fotosintesi e a disturbi metabolici, con conseguente riduzione delle rese delle piante5,6. Inoltre, un effetto grave comune è l'aumento della generazione di specie reattive dell'ossigeno (ROS), che possono causare danni ossidativi a varie biomolecole, tra cui DNA, proteine e lipidi7.
Il grano (Triticum aestivum) è una delle colture cerealicole più importanti al mondo. Non è solo la coltura cerealicola più coltivata, ma anche un'importante coltura commerciale8. Tuttavia, il grano è sensibile al sale, che può inibirne la crescita, alterarne i processi fisiologici e biochimici e ridurne significativamente la resa. Le principali strategie per mitigare gli effetti dello stress salino includono la modificazione genetica e l'uso di regolatori della crescita delle piante. Gli organismi geneticamente modificati (OGM) utilizzano l'editing genetico e altre tecniche per sviluppare varietà di grano tolleranti al sale9,10. D'altra parte, i regolatori della crescita delle piante migliorano la tolleranza al sale nel grano regolando le attività fisiologiche e i livelli di sostanze correlate al sale, mitigando così i danni da stress11. Questi regolatori sono generalmente più accettati e ampiamente utilizzati rispetto agli approcci transgenici. Possono migliorare la tolleranza delle piante a vari stress abiotici come salinità, siccità e metalli pesanti e promuovere la germinazione dei semi, l'assorbimento dei nutrienti e la crescita riproduttiva, aumentando così la resa e la qualità delle colture. 12 I regolatori di crescita delle piante sono fondamentali per garantire la crescita delle colture e il mantenimento di resa e qualità grazie al loro rispetto per l'ambiente, alla facilità d'uso, al rapporto costo-efficacia e alla praticità. 13 Tuttavia, poiché questi modulatori hanno meccanismi d'azione simili, l'utilizzo di uno solo di essi potrebbe non essere efficace. Trovare una combinazione di regolatori di crescita in grado di migliorare la tolleranza al sale nel grano è fondamentale per la selezione del grano in condizioni avverse, aumentando le rese e garantendo la sicurezza alimentare.
Non esistono studi che indaghino l'uso combinato di TU e Arg. Non è chiaro se questa combinazione innovativa possa promuovere sinergicamente la crescita del grano in condizioni di stress salino. Pertanto, l'obiettivo di questo studio era determinare se questi due regolatori della crescita possano alleviare sinergicamente gli effetti negativi dello stress salino sul grano. A tal fine, abbiamo condotto un esperimento idroponico a breve termine su piantine di grano per studiare i benefici dell'applicazione combinata di TU e Arg sul grano in condizioni di stress salino, concentrandoci sull'equilibrio redox e ionico delle piante. Abbiamo ipotizzato che la combinazione di TU e Arg potesse agire sinergicamente per ridurre il danno ossidativo indotto dallo stress salino e gestire lo squilibrio ionico, migliorando così la tolleranza al sale nel grano.
Il contenuto di MDA nei campioni è stato determinato con il metodo dell'acido tiobarbiturico. Pesare accuratamente 0,1 g di polvere fresca, estrarre con 1 ml di acido tricloroacetico al 10% per 10 minuti, centrifugare a 10.000 g per 20 minuti e raccogliere il surnatante. L'estratto è stato miscelato con un volume uguale di acido tiobarbiturico allo 0,75% e incubato a 100 °C per 15 minuti. Dopo l'incubazione, il surnatante è stato raccolto per centrifugazione e sono stati misurati i valori di OD a 450 nm, 532 nm e 600 nm. La concentrazione di MDA è stata calcolata come segue:
Analogamente al trattamento di 3 giorni, l'applicazione di Arg e Tu ha aumentato significativamente anche le attività enzimatiche antiossidanti delle piantine di grano sottoposte a trattamento di 6 giorni. La combinazione di TU e Arg si è rivelata ancora la più efficace. Tuttavia, a 6 giorni dal trattamento, le attività dei quattro enzimi antiossidanti in diverse condizioni di trattamento hanno mostrato una tendenza al ribasso rispetto a 3 giorni dopo il trattamento (Figura 6).
La fotosintesi è la base dell'accumulo di sostanza secca nelle piante e avviene nei cloroplasti, che sono estremamente sensibili al sale. Lo stress salino può portare all'ossidazione della membrana plasmatica, all'alterazione dell'equilibrio osmotico cellulare, al danneggiamento dell'ultrastruttura dei cloroplasti36, alla degradazione della clorofilla, alla riduzione dell'attività degli enzimi del ciclo di Calvin (inclusa la Rubisco) e alla riduzione del trasferimento di elettroni da PS II a PS I37. Inoltre, lo stress salino può indurre la chiusura degli stomi, riducendo così la concentrazione di CO2 nelle foglie e inibendo la fotosintesi38. I nostri risultati hanno confermato precedenti evidenze secondo cui lo stress salino riduce la conduttanza stomatica nel grano, con conseguente riduzione del tasso di traspirazione fogliare e della concentrazione di CO2 intracellulare, che in ultima analisi porta a una riduzione della capacità fotosintetica e della biomassa del grano (Fig. 1 e 3). In particolare, l'applicazione di TU e Arg potrebbe migliorare l'efficienza fotosintetica delle piante di grano sottoposte a stress salino. Il miglioramento dell'efficienza fotosintetica è stato particolarmente significativo quando TU e Arg sono stati applicati contemporaneamente (Fig. 3). Ciò potrebbe essere dovuto al fatto che TU e Arg regolano l'apertura e la chiusura degli stomi, migliorando così l'efficienza fotosintetica, come confermato da studi precedenti. Ad esempio, Bencarti et al. hanno scoperto che in condizioni di stress salino, TU aumentava significativamente la conduttanza stomatica, il tasso di assimilazione di CO2 e l'efficienza quantica massima della fotochimica del PSII in Atriplex portulacoides L.39. Sebbene non vi siano studi diretti che dimostrino che Arg possa regolare l'apertura e la chiusura degli stomi nelle piante esposte a stress salino, Silveira et al. hanno indicato che Arg può promuovere lo scambio gassoso nelle foglie in condizioni di siccità22.
In sintesi, questo studio evidenzia che, nonostante i loro diversi meccanismi d'azione e proprietà fisico-chimiche, TU e Arg possono fornire una resistenza comparabile allo stress da NaCl nelle piantine di grano, soprattutto se applicati insieme. L'applicazione di TU e Arg può attivare il sistema di difesa enzimatico antiossidante delle piantine di grano, ridurre il contenuto di ROS e mantenere la stabilità dei lipidi di membrana, preservando così la fotosintesi e l'equilibrio Na+/K+ nelle piantine. Tuttavia, questo studio presenta anche dei limiti: sebbene l'effetto sinergico di TU e Arg sia stato confermato e il suo meccanismo fisiologico sia stato in parte spiegato, il meccanismo molecolare più complesso rimane poco chiaro. Pertanto, sono necessari ulteriori studi sul meccanismo sinergico di TU e Arg utilizzando metodi trascrittomici, metabolomici e di altro tipo.
I set di dati utilizzati e/o analizzati durante lo studio attuale sono disponibili presso l'autore corrispondente su richiesta ragionevole.
Data di pubblicazione: 19-05-2025