Sviluppo del sistema radicale nelle piante: dal livello cellulare a quello ecosistemico

Climate is profoundly reshaping plant growth and ecosystem functioning, yet much of our current knowledge relies on aboveground traits, leaving belowground responses underexplored. This dissertation addresses this gap by integrating analyses at multiple biological scales—cellular, individual, and ecosystem levels—to investigate how roots respond to environmental stresses and management practices. At the cellular level, experiments on Populus nigra L. revealed contrasting responses of the vascular cambium under combined heat and drought stress. Root cambium maintained higher activity and showed recovery capacity after rewatering, while stem cambium exhibited impaired resilience, underscoring organ-specific plasticity in secondary growth. At the individual level, biochar was tested as a sustainable alternative to peat in nursery growing media. Results demonstrated comparable root morphology to peat substrates, but improved leaf water status, highlighting biochar’s dual role in promoting plant performance and reducing the environmental footprint of horticulture. At the ecosystem level, studies on Pistacia lentiscus across the Mediterranean ecosystem illustrated how competition, secondary succession, and climate interact to shape root and shoot growth dynamics. Fine root and leaf trait analyses further revealed both convergent and divergent strategies in resource acquisition and stress tolerance. Together, these findings demonstrate that plant resilience cannot be fully understood by focusing on a single organ or scale. Instead, integrating above- and belowground perspectives reveals differences that critically impact growth, survival, and carbon allocation. By linking cellular processes, organ-specific strategies, and ecosystem dynamics, this thesis advances a holistic framework for predicting plant and ecosystem responses to global change. Such an approach is essential for improving forest management, guiding peat-free horticultural practices, and enhancing our knowledge to preserve ecosystem services in a warming and resource-limited world.

Il cambiamento climatico sta modificando in profondità i processi di crescita delle piante e il funzionamento degli ecosistemi. Tuttavia, la maggior parte delle conoscenze disponibili si concentra ancora sui tratti epigei, mentre le risposte dell’apparato radicale restano meno indagate. Questa tesi intende colmare tale lacuna, affrontando il tema su più livelli biologici — cellulare, individuale ed ecosistemico — per comprendere come le radici reagiscano agli stress ambientali e alle diverse pratiche gestionali. Sul piano cellulare, gli esperimenti condotti su Populus nigra L. hanno messo in luce risposte divergenti del cambio vascolare in condizioni di siccità e calore combinati. Il cambio radicale ha mantenuto un’elevata attività e mostrato capacità di recupero dopo il rewatering, mentre quello del fusto ha evidenziato una minore resilienza, segnalando un’elevata plasticità organo-specifica nella crescita secondaria. A livello della pianta individuale, il biochar è stato valutato come possibile sostituto sostenibile della torba nei substrati vivaistici. I risultati hanno indicato che la morfologia radicale non differiva significativamente rispetto alla torba, ma lo stato idrico fogliare risultava migliore, suggerendo un duplice beneficio: incrementare la performance delle piante e, allo stesso tempo, ridurre l’impronta ambientale dell’orticoltura. Infine, a scala ecosistemica, lo studio condotto su Pistacia lentiscus negli ambienti mediterranei ha mostrato come fattori quali la competizione, la successione secondaria e il clima contribuiscano a modellare la crescita di radici e fusti. Le analisi dei tratti funzionali delle radici fini e delle foglie hanno inoltre evidenziato strategie sia convergenti sia divergenti per l’acquisizione delle risorse e la tolleranza agli stress. Nel complesso, i risultati sottolineano come la resilienza delle piante non possa essere spiegata considerando un singolo organo o una sola scala di analisi. Solo un approccio integrato, che tenga conto congiuntamente dei tratti epigei e ipogei, consente di cogliere le differenze che influenzano crescita, sopravvivenza e allocazione del carbonio. Collegando i processi cellulari, le strategie specifiche degli organi e le dinamiche degli ecosistemi, questa tesi propone un quadro interpretativo olistico per prevedere le risposte delle piante e degli ecosistemi ai cambiamenti globali. Tale prospettiva risulta fondamentale per migliorare la gestione forestale, promuovere pratiche orticole prive di torba e garantire la conservazione dei servizi ecosistemici in scenari di riscaldamento climatico e risorse sempre più limitate.