Risposta al danno genotossico indotto da stress termico e butirrato di sodio in semi di Leguminose neglette.

Abiotic stresses challenge the sustainability of agriculture to a large extend, being associated with poor germination performance and stand establishment, and leading to yield losses. In this context, underutilized – orphan – crops are known for their ability to withstand abiotic stressors. However, orphan crops are still lacking in physiological and biotechnological characterization that could be used to fast track their improvement and to make their production profitable and sustainable. Apart from its effect in boosting seed germination, seed priming treatments may be applied to mitigate the negative impact that severe abiotic stress has on germination performance. In the present work, hydropriming was tested on seeds of Lathyrus sativus, Pisum sativum var. arvense and Trigonella foenum-graecum accessions subsequently subjected to heat stress (40 °C 4 h heat wave during reimbibition), whose administration was optimized through a preliminary temperature screening. The heat stress treatment impaired germination percentage, germination speed and seedling growth. The hydropriming treatment partially rescued the seed performance under harsh conditions, boosting the germination speed. However, it was not able to increase germination percentage in seeds challenged with heat stress. DNA damage induced by the heat stress treatment was assessed through alkaline comet assay. Although this analysis revealed two similar patterns, the hydropriming treatment was able to reduce DNA damage only in two of the tested accessions. The expression patterns of genes involved in DNA repair and antioxidant response, evaluated through qRT-PCR, were responsive to the hydropriming and heat wave conditions. To further understand the DNA repair mechanisms involved in genome integrity during pre-germinative metabolism, hydropriming was tested on L. sativus seeds, subsequently challenged with genotoxic stress induced by sodium butyrate (NaB). NaB is a chemical agent known to inhibit histone deacetylation, inducing chromatin relaxation. The NaB-induced genotoxic stress impaired the radicle elongation, causing an enhancement in DNA damage levels and leading to a higher expression of genes involved in DNA repair. The hydropriming treatment was able to reduce the impact of NaB, at least in terms of germination speed, in association with lower levels of DNA damage detected in the radicle protrusions. When these treatments were combined, contrastive gene expression profiles were found, considering genes involved in antioxidant response, DNA repair and chromatin remodelling. This research line allowed to expand the currently available knowledge on seed metabolism challenged by different forms of environmental and genotoxic stress, leading to potential applications for seed quality evaluation and enhancement.

Lo stress abiotico mette a dura prova la sostenibilità dell’agricoltura sotto differenti aspetti. Infatti, esso è associato ad una ridotta performance di germinazione, ed in ultima analisi determina una riduzione della resa agricola. In questo contesto, le specie orfane – neglette – sono particolarmente note per la loro abilità di sopportare differenti forme di stress. Tuttavia, tali specie mancano ancora di quella caratterizzazione fisiologica e biotecnologica che potrebbe essere utilizzata per accelerare il loro miglioramento e per rendere la loro produzione redditizia e sostenibile. Consolidati i suoi effetti positivi in termini di aumento della percentuale di germinazione e della velocità di germinazione, l’applicazione del trattamento di seed priming potrebbe essere utile al fine di mitigare l’impatto negativo che uno stress abiotico particolarmente severo ha sulla performance agronomica. In questo lavoro di tesi, il trattamento di hydropriming è stato testato su semi di differenti varietà delle specie Leguminose neglette Lathyrus sativus, Pisum sativum var. arvense e Trigonella foenum-graecum. Durante la successiva reimbibizione, i semi di tali specie sono stati sottoposti ad un trattamento di stress termico rappresentato da un’onda di calore di 4 h a 40 °C, selezionato sulla base di uno screening preliminare di valutazione della soglia di tolleranza all’esposizione ad intervalli di temperatura crescenti. Il trattamento di stress termico ha avuto un impatto negativo sulla percentuale di germinazione, sulla velocità di germinazione e sulla crescita delle plantule. Il trattamento di hydropriming ha permesso di recuperare parzialmente la performance di germinazione dei semi esposti all’onda di calore, determinando un aumento della velocità di germinazione. Tuttavia, il trattamento di hydropriming non è stato in grado di aumentare la percentuale di germinazione dei semi sottoposti al trattamento di stress termico. I livelli di danno al DNA indotto dal trattamento di stress termico sono stati valutati mediante alkaline comet assay. Nonostante siano stati messi in evidenza dei pattern simili in tutte le specie testate, il trattamento di hydropriming ha permesso di ridurre i livelli di danno al DNA solamente in due accessioni. I profili di espressione dei geni coinvolti nel riparo del DNA e nella risposta antiossidante, valutati mediante qRT-PCR, sono risultati essere responsivi e coerenti rispetto ai trattamenti di hydropriming e di stress termico. Al fine di comprendere ulteriormente i meccanismi di riparo del DNA che sono coinvolti nel mantenimento dell’integrità genomica nel contesto del metabolismo pre-germinativo, il trattamento di hydropriming è stato applicato a semi di L. sativus successivamente esposti al composto butirrato di sodio, inibitore degli enzimi istone deacetilasi, e di conseguenza in grado di indurre variazioni nello stato di condensazione della cromatina, in particolare stimolandone la decondensazione. Il trattamento con butirrato di sodio ha compromesso la crescita radicale, causando un aumento di danno al DNA e determinando una maggiore espressione di alcuni geni coinvolti nel riparo del DNA. L’applicazione del trattamento di hydropriming ha mitigato l’impatto del butirrato di sodio in termini di velocità di germinazione, in associazione ad un ridotto accumulo di danno al DNA allo stadio di protrusione radicale. Il trattamento di hydropriming in combinazione con l’applicazione di butirrato di sodio ha evidenziato diversi profili di espressione in geni coinvolti in risposta antiossidante, DNA repair e rimodellamento della cromatina. Questa linea di ricerca ha consentito di ampliare la conoscenza attualmente disponibile relativa al metabolismo di semi sottoposti a differenti forme di stress ambientale e genotossico, con potenziali applicazioni finalizzate alla valutazione ed al miglioramento della qualità del seme.