Approcci fisiologici e molecolari per l'identificazione di indicatori di qualità in semi di Populus nigra L.

The European black poplar, Populus nigra L., is a pioneer tree species native to riparian ecosystems. Natural populations of P. nigra have undergone significant decline because of the loss and degradation of riparian habitats caused by human activities, making the species considered endangered in several areas of Europe. In addition to playing a key role in biodiversity and the stability of riparian zones, P. nigra has important social and economic interest. Poplar stands are generally maintained through clonal propagation, but prolonged use of this method reduces genetic variability and the ability to identify traits of interest for resilience to environmental stress and impedes the possibility of gene recombination, leading to further weakening of the species. In this context, seed-based propagation is an effective strategy that needs to be promoted. The ability to store seeds in germplasm banks is essential for the success of this technique. Despite high initial germination, P. nigra seeds are characterized by reduced longevity and desiccation tolerance, making prolonged storage difficult. Studying the physiological and molecular processes that determine seed quality can contribute to the development of strategies to improve seed longevity and germination performance. This thesis examines two types of P. nigra germplasm. In the first case study, a batch of black poplar seeds provided by the Carabinieri National Biodiversity Center in Peri (Verona) was analyzed. The effects of different seed soaking treatments, carried out with water and, in parallel, using appropriately selected doses of the antioxidant compounds spermidine and quercetin, were evaluated. The results show a significant improvement in germination parameters following treatment with 0.1 mM spermidine. To investigate the physiological and molecular mechanisms underlying these differences, ionomics and gene expression analyses were conducted, revealing specific profiles in the accumulation of metal cations and the expression of genes associated with pre-germination metabolism. In the second case, a collection of seeds produced by clones maintained at the CREA-FL Center (Council for Agricultural Research and Analysis of Agricultural Economics, Department of Forestry and Wood) in Casale Monferrato (Alessandria) was analyzed. Germination profiles were characterized in response to long-term storage (longevity), revealing significant differences between the various genotypes. The accumulation of reactive oxygen species (ROS), a factor that negatively impacts germination performance and seed quality, was also examined. The results obtained represent a starting point for supporting the development of more effective strategies for the propagation, germplasm conservation, and ecological restoration of natural black poplar populations.

Il pioppo nero europeo, Populus nigra L., è una specie pioniera arborea nativa degli ecosistemi ripariali. Le popolazioni naturali di P. nigra hanno subito un significativo declino in conseguenza della perdita e della degradazione degli habitat ripariali causate dalle attività antropiche, rendendo la specie considerata a rischio di estinzione in diverse aree d’Europa. Oltre a ricoprire un ruolo chiave per la biodiversità e la stabilità delle zone ripariali, P. nigra possiede un importante interesse sociale ed economico. Le coltivazioni di pioppo sono generalmente mantenute mediante propagazione clonale, tuttavia l’utilizzo prolungato di tale strumento riduce la variabilità genetica e la possibilità di identificare tratti di interesse per la resilienza agli stress ambientali e impedisce la possibilità di ricombinazione genica, portando all’ulteriore indebolimento della specie. In questo contesto, la propagazione basata sui semi costituisce una strategia efficace, che necessita di essere valorizzata. Per il successo di questa tecnica è fondamentale la possibilità di stoccare i semi in banche del germoplasma. Pur avendo un’elevata germinabilità iniziale i semi di P. nigra sono caratterizzati da ridotta longevità e tolleranza all’essiccazione, rendendo difficoltosa la conservazione per periodi prolungati. Lo studio dei processi fisiologici e molecolari che determinano la qualità del seme può contribuire allo sviluppo di strategie per migliorarne la longevità e le performance di germinazione. Il presente lavoro di tesi prende in esame due tipologie di germoplasma di P. nigra. Nel primo caso studio è stato analizzato un lotto di semi di pioppo nero fornito dal Centro Nazionale Carabinieri Biodiversità di Peri (Verona). Sono stati valutati gli effetti di differenti trattamenti di seed soaking effettuati con acqua, ed in parallelo utilizzando dosi opportunamente selezionate dei composti ad attività antiossidante spermidina e quercitina. I risultati evidenziano un significativo miglioramento dei parametri di germinazione in seguito al trattamento con spermidina 0,1 mM. Al fine di investigare i meccanismi fisiologici e molecolari alla base di tali differenze, sono state effettuate analisi di ionomica e di espressione genica che hanno evidenziato profili specifici nell’accumulo di cationi metallici e nell’espressione di geni associati al metabolismo pre-germinativo. Nel secondo caso è stata analizzata una collezione di semi prodotti da cloni mantenuti presso il Centro CREA-FL (Consiglio per la Ricerca in Agricoltura e l’Analisi dell’Economia Agraria, Dipartimento Foreste e Legno) di Casale Monferrato (Alessandria). Sono stati caratterizzati i profili di germinazione in risposta a periodi di conservazione a lungo termine (longevità), evidenziando differenze significative tra i vari genotipi. È stato inoltre esaminato l’accumulo di specie reattive dell’ossigeno (reactive oxygen species, ROS), fattore che influisce negativamente nelle prestazioni di germinazione e nella qualità dei semi. I risultati ottenuti rappresentano un punto di partenza per supportare lo sviluppo di strategie più efficaci per la propagazione, la conservazione del germoplasma e il recupero ecologico delle popolazioni naturali di pioppo nero.