Regolatori della crescita delle piante (PGR)sono un modo economicamente vantaggioso per migliorare le difese delle piante in condizioni di stress. Questo studio ha indagato la capacità di dueDottorandi, tiourea (TU) e arginina (Arg), per alleviare lo stress salino nel grano. I risultati hanno mostrato che TU e Arg, soprattutto se usati insieme, possono regolare la crescita delle piante in condizioni di stress salino. I loro trattamenti hanno aumentato significativamente l'attività degli enzimi antiossidanti, diminuendo 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 diminuito significativamente le concentrazioni di Na+ e Ca2+ e il rapporto Na+/K+, aumentando 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 netta e il tasso di scambio gassoso delle piantine di grano in condizioni di stress salino. TU e Arg, usati singolarmente o in combinazione, hanno potuto aumentare l'accumulo di sostanza secca del 9,03-47,45%, e l'aumento è stato maggiore quando sono stati 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 modifiche alle pratiche agricole stanno accelerando il degrado degli ecosistemi agricoli1. Una delle conseguenze più gravi è la salinizzazione del suolo, che minaccia la sicurezza alimentare globale2. Attualmente la salinizzazione interessa circa il 20% dei terreni coltivabili in tutto il mondo e questa percentuale potrebbe salire al 50% entro il 20503. Lo stress salino-alcalino può causare stress osmotico nelle radici delle colture, alterando l'equilibrio ionico della pianta4. Tali condizioni avverse possono anche portare a una degradazione accelerata della clorofilla, a una diminuzione dei tassi di fotosintesi e a disturbi metabolici, con conseguente riduzione delle rese agricole5,6. Inoltre, un grave effetto comune è l'aumento della produzione di specie reattive dell'ossigeno (ROS), che possono causare danni ossidativi a diverse biomolecole, tra cui DNA, proteine e lipidi7.
Il grano (Triticum aestivum) è una delle colture cerealicole più importanti al mondo. Non è solo il cereale più diffuso, ma anche una coltura commerciale di grande importanza8. 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 fitoregolatori. Gli organismi geneticamente modificati (GM) sono l'utilizzo di tecniche di editing genetico e altre tecniche per sviluppare varietà di grano tolleranti al sale9,10. D'altra parte, i fitoregolatori 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 del raccolto. 12 I regolatori della crescita delle piante sono fondamentali per garantire la crescita delle colture e mantenere la resa e la qualità grazie alla loro compatibilità ambientale, facilità d'uso, economicità e 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 della crescita in grado di migliorare la tolleranza al sale nel grano è fondamentale per il miglioramento genetico del grano in condizioni avverse, per aumentare le rese e garantire 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, lo scopo di questo studio era determinare se questi due regolatori di crescita possano alleviare sinergicamente gli effetti negativi dello stress salino sul grano. A tal fine, abbiamo condotto un esperimento a breve termine su piantine di grano in coltura idroponica per studiare i benefici dell'applicazione combinata di TU e Arg al 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, anche l'applicazione di Arg e Tu ha aumentato significativamente l'attività degli enzimi antiossidanti nelle piantine di grano durante il trattamento di 6 giorni. La combinazione di TU e Arg è risultata ancora la più efficace. Tuttavia, a 6 giorni dal trattamento, l'attività dei quattro enzimi antiossidanti in diverse condizioni di trattamento ha mostrato una tendenza decrescente rispetto a 3 giorni dopo il trattamento (Figura 6).
La fotosintesi è alla 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, alla perturbazione dell'equilibrio osmotico cellulare, al danneggiamento dell'ultrastruttura dei cloroplasti36, alla degradazione della clorofilla, alla diminuzione dell'attività degli enzimi del ciclo di Calvin (inclusa la Rubisco) e alla riduzione del trasferimento di elettroni dal PS II al 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 studi secondo cui lo stress salino riduce la conduttanza stomatica nel grano, con conseguente diminuzione del tasso di traspirazione fogliare e della concentrazione intracellulare di CO2, che in definitiva porta a una diminuzione della capacità fotosintetica e della biomassa del grano (Figure 1 e 3). In particolare, l'applicazione di TU e Arg potrebbe migliorare l'efficienza fotosintetica delle piante di grano in condizioni di stress salino. Il miglioramento dell'efficienza fotosintetica è stato particolarmente significativo quando TU e Arg sono stati applicati simultaneamente (Figura 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 segnalazioni dirette 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 diversi meccanismi d'azione e le proprietà fisico-chimiche, TU e Arg possono fornire una resistenza comparabile allo stress da NaCl nelle plantule di grano, soprattutto se applicati insieme. L'applicazione di TU e Arg può attivare il sistema di difesa enzimatico antiossidante delle plantule 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 plantule. Tuttavia, questo studio presenta anche dei limiti: sebbene sia stato confermato l'effetto sinergico di TU e Arg e il suo meccanismo fisiologico sia stato in parte spiegato, il meccanismo molecolare più complesso rimane ancora 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 nel corso del presente studio sono disponibili presso l'autore corrispondente su richiesta motivata.
Data di pubblicazione: 19-05-2025