Abiotic stress tolerance mechanisms in Sulla coronaria (L.) Medik.: understanding plant response to drought and salinization

Land degradation is an alarming global issue. According to the United Nations Convention to Combat Desertification (UNCCD 1994), land degradation in arid, semi-arid, and dry sub-humid areas is known as desertification. As predicted by a range of climate models, climate change will accelerate desertification processes in various regions of the World, including the Mediterranean basin, wherein it is forecast to have a great impact on agricultural production systems. Therefore, a better understanding of the mechanisms that plants employ to tolerate water deprivation and salt excess is crucial to increase agricultural productivity under these adverse conditions. Legumes are second, after grasses, in importance to agriculture. Sulla coronaria (L.) Medik. is a perennial legume native to Mediterranean area, where it is widely grown as a rainfed biennal forage crop in several countries. It has great potential due to its suitability for cultivation in drought-prone and marginal environments and its great forage value. The principal aim of the present PhD project was to define a new level of complexity in the study of the tolerance of S. coronaria to drought and salinity, understanding the mechanisms that make this species so promising for agriculture in the Mediterranean region. A focus on the role of the redox components in plant defence to these stressors is provided. Plants of Sulla were grown for 45 days and then subjected to suboptimal watering for 1, 2 or 3 weeks and irrigation with 100, 150 or 200 mM NaCl solutions for 3 weeks. The same NaCl concentrations were applied on agarized culture medium for in vitro tests on seedlings. Salt treatments negatively influenced seed germination and shoot development under in vitro conditions; however, water status, photosynthetic pigments and efficiency remained stable or even up regulated. Both drought and salinity did not affect water retention in plants, although photosynthesis parameters showed a decrease, mostly at the highest treatments. Evaluation of the occurrence of osmotic adjustments revealed an active role for proline, while abscisic acid appeared to be exclusively involved in the seedling response to salt stress. Redox equilibrium was also monitored, assaying O2• - and H2O2 concentration: O2• - accumulated in presence of NaCl both in plants and in seedlings, while H2O2 only in seedlings. Malondialdehyde content, a marker of lipid peroxidation, did not change with respect to the control. Regarding the antioxidant machinery, total phenolic content increased in seedlings, while glutathione decreased in seedlings and remained at a steady state level in plants. Expression level and activity of antioxidant enzymes highlighted the complexity of Sulla response to drought and salinity, depending on both type of stress and stage of plant development. Our results confirm S. coronaria as a drought- and salt tolerant species and underline the key role of its antioxidant system. Since ROS did not cause oxidative damage, a function for these radicals as signaling molecules was hypothesized. Different salt stress acclimation strategies were observed between plants and seedlings, showing for the latter a greater capacity to cope with salinity.

Il degrado del suolo è considerato un allarmante fenomeno globale. Secondo quanto affermato dalla Convenzione delle Nazioni Unite per la Lotta contro la Desertificazione (UNCCD 1994), quando il degrado del suolo si verifica in aree aride, semi-aride e sub-umide, si parla di desertificazione. Come previsto da diversi modelli climatici, il cambiamento climatico accelererà i processi di desertificazione in diverse regioni del mondo, incluso il bacino del Mediterraneo, dove la produzione agricola potrebbe essere seriamente compromessa. Pertanto, una migliore comprensione dei meccanismi di tolleranza delle piante a condizioni di mancanza d’acqua ed eccesso di sale è fondamentale in un’ottica di conservazione della produttività agricola in condizioni ambientali avverse. Le leguminose sono seconde per importanza, dopo le graminacee, in agricoltura. Sulla coronaria (L.) Medik. è una leguminosa foraggera nativa dell’area mediterranea, dove viene ampiamente coltivata. L’attitudine a crescere in ambienti marginali e soggetti a siccità, nonché il grande valore foraggero, rendono la Sulla una specie dal grande potenziale. L’obiettivo principale del presente progetto di dottorato è stato quello di definire un nuovo livello di complessità nello studio della tolleranza di S. coronaria a condizioni di siccità e di salinità, analizzando i meccanismi che rendono questa specie così promettente per l’agricoltura in ambiente mediterraneo. In particolare, si è data importanza al ruolo delle componenti redox nella difesa della pianta agli stress suddetti. Le piante di Sulla, lasciate crescere per 45 giorni, sono state poi sottoposte a irrigazione sub-ottimale per una, due o tre settimane e a irrigazione con soluzioni di NaCl 100, 150 e 200 mM per tre settimane. Le stesse concentrazioni saline sono state utilizzate per test in vitro sui germogli. I trattamenti salini in condizioni in vitro hanno influenzato negativamente la germinazione dei semi e lo sviluppo dei germogli; ad ogni modo, il contenuto idrico, i pigmenti fotosintetici e l’efficienza fotosintetica sono rimasti stabili o aumentati. Nelle piante, sia la siccità che la salinità non hanno avuto effetti sulla ritenzione idrica, sebbene i parametri della fotosintesi abbiano mostrato una diminuzione, soprattutto ai trattamenti più alti. La valutazione della presenza di stress osmotico ha rivelato un ruolo attivo per la prolina, mentre l’acido abscissico sembrava essere coinvolto esclusivamente nella risposta allo stress salino dei germogli. L’equilibrio redox è stato monitorato quantificando i livelli di O2• - and H2O2: O2• - aumentava in presenza di NaCl sia nelle piante che nei germogli, mentre H2O2 esclusivamente nei germogli. Il contenuto di malondialdeide, marker della perossidazione lipidica, non ha subito cambiamenti rispetto al controllo. Per quanto riguarda il sistema antiossidante, il contenuto di fenoli totali aumentava nei germogli, mentre il glutatione diminuiva nei germogli e rimaneva stabile nelle piante. I livelli di espressione e di attività degli enzimi antiossidanti sottolineavano la complessità della risposta di Sulla a questi due stress, mostrando una dipendenza della risposta sia dal tipo di stress sia dallo stadio di sviluppo delle piante. I nostri risultati confermano S. coronaria come specie tollerante alla siccità e alla salinità ed evidenziano il ruolo chiave del sistema antiossidante. Dal momento che le ROS non hanno indotto danni ossidativi, è stato ipotizzato per questi radicali un ruolo come molecole segnale. Piante e germogli hanno mostrato strategie di acclimatazione diverse, rivelando per questi ultimi una maggiore capacità di resistenza alla salinità.