valutazione del impatto a lungo termine del seed priming (da seme a seme) in specie neglette di legumi tramite metabolomica non mirata

The application of seed priming techniques can improve field performance in a variety of crops, including commercially underutilized varieties with potential as climate-ready crops. Nonetheless, the long-term effects of priming on the following generation of seeds are still poorly explored. The objective of this thesis is to study the metabolomic changes occurring in seeds harvested from mother plants growing from seeds that were treated with hydropriming (HP), biopriming (BP), and Hybridpriming (HB) protocols. BP and HB protocols included the administration of Bacillus subtilis spores, and three orphan legume species were selected: grass pea (Lathyrus sativus L. var. Maleme), forage pea (Pisum sativum var. arvense), and fenugreek (Trigonella foenum-graecum L., accessions Tborsek and Rayhane). The metabolomic analyses were carried out in collaboration with Prof. Fabrizio Araniti (Di.S.A.A., University of Milan). The results obtained from the harvested seeds showed that the different priming techniques did not affect germination percentage, whereas the mean germination time was significantly changed in L. sativus in response to HB and in T. foenum-graecum Rayhane in response to BP, when compared to the unprimed control. Effects of priming on metabolite accumulation were different among the tested accessions. Metabolites from the sugar alcohols class were detected in the tested varieties, as well as the polyamine putrescine and its precursors homoserine and ornithine. Reactive oxygen species (ROS) levels showed significant increases in response to HB (P. sativum) and to HP (P. sativum and L. sativus) when compared to UP. The two T. foenum-graecum accessions also showed increases in ROS levels in response to BP and HB. Moreover, a GFP (Green Fluorescent Protein)-expressing B. subtilis strain, developed by Prof. Cinzia Calvio (Department of Biology and Biotechnology, University of Pavia), was used to visualize the interaction between the bacteria and the developing radicle in L. sativus. This work highlights how different types of seed priming and genotype can affect the response of first-generation seeds, leading to the accumulation or depletion of metabolites involved in multiple physiological functions. It also shows how biopriming with B. subtilis spores results in bacteria colonizing the developing radicle, further corroborating the dynamics of biopriming protocols. Future research may focus on the exploration of the metabolomic datasets to identify entries with potential uses as indicators of seed quality or priming effectiveness.

L’uso delle tecniche di seed priming può migliorare le prestazioni in campo in differenti specie di rilevanza agronomica, incluse le varietà commercialmente poco utilizzate ma caratterizzate da elevata resilienza al cambiamento climatico (climate-ready crops). Tuttavia, gli effetti a lungo termine dei trattamenti di seed priming, in particolare l’impatto a livello di fase riproduttiva e produzione del seme, sono ancora poco esplorati. L’obbiettivo di questa tesi è studiare variazioni a livello di metaboloma in semi raccolti da piante madri sviluppate da semi sottoposti a protocolli di idropriming (HP), biopriming (BP) e hybrid priming (HB, in cui si combinano HP e BP). In cui BP e HB prevedono la somministrazione di spore di Bacillus subtilis. Sono state utilizzate tre specie leguminose neglette: cicerchia (Lathyrus sativus L. var. Maleme), pisello da foraggio (Pisum sativum var. arvense) e fieno greco (Trigonella foenum-graecum L., accessioni Tborsek e Rayhane). Le analisi di non-targeted metabolomics sono state effettuate in collaborazione con il Prof. Fabrizio Araniti (Di.S.A.A., Università di Milano). I risultati ottenuti indicano che i differenti protocolli di seed priming non hanno influenzato in modo significativo la percentuale di germinazione, mentre sono state osservate variazioni significative nel tempo medio di germinazione (Mean Germination Time) in L. sativus in risposta ad HB e in T. foenum-graecum Rayhane in risposta a BP, rispetto al controllo non trattato. Per quanto riguarda l’impatto dei differenti trattamenti di seed priming a livello di metaboloma, è stato evidenziato l’accumulo di metaboliti della classe degli polialcoli in tutte le varietà e della poliammina putrescina con precursori omoserina e ornitina in L. sativus. Si è stato osservato un incremento significativo nei livelli di specie reattive dell’ossigeno (reactive oxygen species, ROS) in risposta a HB (P. sativum) e HP (P. sativum e L. sativus), rispetto al controllo non trattato. In parallelo è stata effettuata un’analisi preliminare per verificare le modalità di interazione tra le spore di B. subtilis e il seme in fase di germinazione, utilizzando un ceppo che esprime il gene reporter GFP (Green Fluorescent Protein) prodotto dalla Prof. Cinzia Calvio (Dipartimento di Biologia e Biotecnologie, Università di Pavia. Questo lavoro di tesi evidenzia la complessità dell’impatto dei trattamenti di seed priming nel lungo termine.