L'effetto di stress abiotici combinati a livello morfologico, fotosintetico, metabolico e sulla rizosfera di Arabidopsis thaliana (L.)

Climate change and global warming are increasing the frequency and intensity of abiotic stresses, such as heat waves, cold snaps, droughts, sudden and heavy rainfalls and soil salinity, with alarming consequences on global food production. Even though the effect of single stresses is well-studied under laboratory conditions, plants in the field are often affected by the simultaneous occurrence of environmental threats, leading to dramatic and unexpected consequences. In fact, the plant response to combined abiotic stresses is unique and hardly predictable from the study of each stress taken individually. To characterize the overall impact of compound stresses on plant physiology, investigation of above- and below-ground organs is necessary, together with the analysis of the root interactions with rhizosphere microbial communities. In these studies, the combination of phenomics, targeted and untargeted metabolomics, and metabarcoding analysis was applied to examine the interactions of drought, salinity, waterlogging, heat, and cold stresses on the model plant Arabidopsis thaliana (L.). Our results highlighted that the stress type, as well as its duration, has a predominant effect in plant adaptive response to stress combinations. Notably, even low-level stress can induce a strong effect when combined with a second stressor, supporting the necessity to prevent and timely monitor stress response in plants. To this aim, except for the stable Fv/Fm, photosynthetic efficiency values such as qP, NPQ, Fv’/Fm’, and Fq/Fm monitored through PSI system emerged as useful parameters to promptly highlight stress interactions. Among the quantified stress markers, proline, glycine, and GABA osmolytes and GSH/GSSG antioxidant system offered valuable insight into different patterns of accumulation compared to those induced by individual stresses in leaves and roots. Alongside, the hypothesis-free UHPLC-MS untargeted metabolomics approach revealed the contribution of each treatment in dually stressed plants, indicating either synergistic, indifferent, or antagonistic interactions, or highlighting the dominant effect of one stress, depending on the specific combination. Moreover, the enhancement or inhibition of key biosynthetic pathways, especially of specialised metabolisms such as polyphenols, alkaloids, terpenoids and sterols, together with hormones, was unveiled under each combination. The metabarcoding analysis indicated a strong resilience of rhizosphere microbial populations to short-term combined stresses. Finally, the DIABLO mix-omics integration of metabolomics and metabarcoding data highlighted the strong correlation between datasets and revealed key features of the plant-microbial interaction under combined environmental threat to the plant holobiont. Overall, these results contribute to understanding the stress interaction in dually stressed plants, emphasizing either the dominance or the intermediate effects of their combinations at the above- or below-ground levels. The identification of specific stress-associated markers may be key in developing crops with enhanced tolerance to multiple stresses.

Il cambiamento climatico e il conseguente aumento della temperatura terrestre stanno aumentando la frequenza e l’intensità di stress abiotici, come ondate di calore e di freddo, salinizzazione del suolo, periodi di prolungata siccità e alluvioni improvvise, con conseguenze allarmanti sulla produzione globale di cibo. Nonostante l’effetto di stress singoli sia largamente studiato e caratterizzato in condizioni di laboratorio, in campo le piante sono spesso colpite da minacce ambientali simultanee, che portano a conseguenze spesso drammatiche. Infatti, la risposta delle piante a stress abiotici combinati è unica e difficilmente prevedibile dallo studio separato dei singoli stress. Per definire l'impatto complessivo degli stress combinati sulla fisiologia delle piante è necessaria una caratterizzazione dell’olobionte vegetale, includendo insieme all’analisi di foglie e radici, anche le interazioni delle radici con le comunità microbiche della rizosfera. Nel presente lavoro, l’applicazione congiunta di tecniche di fenomica, metabolomica targeted e untargeted, e di analisi di metabarcoding, è stata usata per valutare gli impatti dell’interazione di siccità, salinità, ristagno d’acqua, caldo e freddo sulla pianta modello Arabidopsis thaliana (L.). I risultati hanno evidenziato che il tipo di stress, così come la sua intensità hanno un effetto predominante nell’induzione delle risposte adattative della pianta. In particolare, è stato evidenziato che anche stress applicati con bassa intensità o durata possono indurre un forte impatto se combinati ad un secondo fattore. Questo conferma la necessità di prevenire e monitorare tempestivamente la risposta agli stress nelle piante. A questo scopo, eccetto Fv/Fm, i valori dell'efficienza fotosintetica come qP, NPQ, Fv’/Fm’, e Fq/Fm monitorati tramite il PSI system sono emersi come parametri utili per rivelare rapidamente le interazioni fra gli stress. Fra i marcatori di stress quantificati in foglie e radici, gli osmoliti prolina, glicina e GABA, così come i livelli di glutatione nella forma ridotta e ossidata, hanno offerto preziose informazioni sui diversi livelli di accumulo di questi metaboliti rispetto a quelli indotti dagli stress singoli. L'approccio di metabolomica untargeted tramite il sistema UHPLC-MS ha rivelato il contributo di ciascun trattamento nelle piante sottoposte a stress combinato, evidenziando interazioni sinergiche, indifferenti o antagoniste, oppure l'effetto dominante di uno stress sull’altro. Inoltre, in ogni combinazione è stato evidenziato il potenziamento o l'inibizione di vie biosintetiche chiave, in particolar modo del metabolismo specializzato. Infine, l'analisi metabarcoding dei microrganismi della rizosfera ha indicato una forte resilienza delle popolazioni microbiche a brevi stress combinati, mentre l'integrazione dei dati di metabolomica e metabarcoding tramite analisi statistiche basate sul modello DIABLO di mix-omics ha rivelato i marcatori chiave dell'interazione fra le radici, gli essudati e i microorganismi associati in ciascuna combinazione di stress abiotici. Nel complesso, questi risultati contribuiscono alla comprensione dell’interazione di stress abiotici combinati nelle piante, mettendo in luce la dominanza o l’effetto intermedio a seconda dei metabolismi considerati. L’identificazione di specifici marcatori di stress associati a ciascuna combinazione può contribuire allo sviluppo di colture che abbiano una migliore tolleranza ai diversi tipi di stress.