Plant response to modified conditions of light and nutrients

In natural environments plant growth, development, productivity, and distribution are highly dependent on a wide number of different biotic and abiotic factors. Among all water, temperature, light, and nutrients are the most important ones. Understanding mechanisms and adaptive responses of plant growth to changes in the availability of these environmental components is of the fundamental importance. In this framework, the present thesis aimed at widen the knowledge on plant response to modifications of soil nutrient availability and to the alteration in quality and quantity of light spectrum. To accomplish this aim, the effects of changes in nutrient composition have been investigated by adding biochar amendment to the soil, whereas alterations in quality and quantity of light spectrum have been obtained by using different artificial lighting systems. The response to biochar soil amendment has been analyzed at morpho-physiological and molecular levels in different plant species (i.e. tomato, pea and Arabidopsis), alone and in combination with light spectra alterations. Results obtained in this thesis show that although biochar addition misbalances the photosynthetic machinery in tomato plants, it might improve Pisum and Arabidopsis growth, even at higher magnitude when the light spectrum is characterized by a specific composition. In addition, morpho-physiological plant response leads to hypothesize that photoreceptors such as phyA, phyB, and light signaling components such as pifs, could be involved in processes of growth stimulation in nitrogen and light stress conditions. As part of the Ph.D project, the effects of a new artificial lighting system named CoeLux®, on morpho-physiology of several different plant species (i.e. Anthurium, Basilicum, Q. ilex) have been investigated. Experiments with CoeLux® lighting system showed a species-specific plant response mechanism and a high plant efficiency to receive and use CoeLux® lighting system by performing good photosynthetic and stomatal activities.

In natura la crescita, lo sviluppo, la produttività e la distribuzione delle piante sono altamente influenzati da un ampio numero di diversi fattori biotici e abiotici. Tra tutti i fattori biotici, l’acqua, la temperatura, la luce e i nutrienti restano quelli di maggiore rilevanza. Così come resta di fondamentale importanza lo studio dei meccanismi della crescita e delle risposte di adattamento delle piante ai cambiamenti della disponibilità di queste stesse componenti ambientali. In tale contesto, il presente lavoro di tesi mira ad ampliare la conoscenza sulla risposta delle piante alla disponibilità modificata di nutrienti nel suolo e alla manipolazione qualitativa e quantitativa dello spettro di luce. Per conseguire questo obiettivo sono stati studiati gli effetti dei cambiamenti nella disponibilità di nutrienti nel terreno attraverso l’aggiunta di un ammendante organico quale il biochar, invece le alterazioni sia qualitative che quantitative dello spettro di luce sono state ottenute usando diversi sistemi di illuminazione artificiale. Il biochar è stato utilizzato solo ed in combinazione con diversi spettri di luce, di cui gli effetti sono stati analizzati sia al livello morfo-fisiologico che molecolare in diverse piante (ad es. pomodoro, pisello e Arabidopsis). I risultati ottenuti in questa tesi dimostrano che sebbene il biochar aggiunto nel terreno porta ad uno squilibrio dell’apparato fotosintetico nelle piante di pomodoro, esso potrebbe migliorare la crescita delle piante di Pisum e Arabidopsis, in maggior misura se si utilizza in combinazione con una luce caratterizzata da una specifica composizione spettrale. Inoltre, la risposta morfo-fisiologica delle piante porta ad ipotizzare che i fotorecettori, come phyA, phyB e fattori coinvolti nella segnalazione luminosa come pifs potrebbero essere convolti in processi di stimolazione della crescita in condizioni di stress di luce e di azoto. Come parte del progetto di dottorato, sono stati studiati gli effetti di un nuovo sistema di illuminazione artificiale chiamato CoeLux® sulla morfo-fisiologia di diverse specie di piante (ad es. Anthurium, Basilicum, Q. ilex). Gli esperimenti con il sistema di illuminazione CoeLux® hanno dimostrato un meccanismo di risposta specie-specifico ed un’alta efficienza della pianta nel ricevere ed usare la luce CoeLux® attraverso lo svolgimento di una buona attività sia fotosintetica che stomatica.