Exploring the root system's response to environmental stress

Plants constantly adapt root growth to environmental conditions by modulating the production of new roots, their elongation, radial expansion, and the turnover of existing roots to optimize functional performance. However, the key factors driving root phenotypic plasticity and their potential links to woody tissues and overall tree performance remain poorly understood, particularly in the context of global climate change. The research presented in this PhD thesis aims to elucidate the molecular mechanisms underlying root system responses to environmental stimuli, with particular emphasis on two stress types: mechanical and drought stress. Recent advancements in research will be reviewed, with a focus on the integration of advanced methodologies such as RNA sequencing (RNA-Seq) and CRISPR-Cas9 genome editing. These state-of-the-art techniques will be presented as transformative tools for addressing critical knowledge gaps. The thesis centers on the relatively understudied theme of mechanical stress, systematically addressed through three distinct chapters. A systematic literature review is presented in the first chapter, exploring diverse aspects of root developmental and stress biology. The second chapter comprises a review paper that summarizes the current understanding of mechanical stress effects on plant systems. Additionally, it includes two transcriptomic studies that investigate the short-term responses to root bending in two model species, Populus nigra as a woody perennial, and Arabidopsis thaliana as a herbaceous annual model. Whole transcriptome sequencing data was analysed at the short-term intervals of 1- and 6-hours, revealing dynamic, side-specific transcriptomic shifts. The results obtained from Populus nigra woody roots revealed distinct transcriptional changes between the concave and convex bending sides, particularly in pathways related to cell wall remodeling, calcium signaling, and reactive oxygen species metabolism. Key genes involved in lignin and pectin metabolism, such as pectinesterases and xyloglucan endotransglucosylase/hydrolases were identified as key regulators of cytoskeletal dynamics and cell wall reinforcement. These findings highlight a coordinated transcriptional strategy to maintain both flexibility and stability under mechanical stress. In Arabidopsis thaliana , the convex side exhibited early activation of oxidative stress and lateral root initiation pathways, with upregulation of genes such as LRP1 and WRKY38, associated with auxin and abscisic acid signaling. In contrast, the concave side primarily engaged in structural adaptation, with increased expression of genes involved in cell wall biogenesis and ethylene signaling. The third chapter focuses on the functional characterization of the DRO1 gene in tomato, which plays a crucial role in determining root angle—a key trait for optimizing water and nutrient uptake under stress conditions. This chapter includes a review article summarizing the latest advances in abiotic stress biology achieved through genome editing. Collectively, these studies highlight potential targets for improving plant resilience to mechanical and drought stresses, providing a foundational framework for future molecular breeding and biotechnological interventions.

Le piante adattano costantemente la crescita delle radici alle condizioni ambientali modulando la produzione di nuove radici, la loro elongazione, l'espansione radiale e il turnover delle radici esistenti, al fine di ottimizzare la funzionalità. Tuttavia, i fattori chiave che regolano la plasticità fenotipica delle radici e le loro possibili connessioni con i tessuti legnosi e la performance complessiva degli alberi rimangono poco conosciuti, specialmente nel contesto del cambiamento climatico globale. La ricerca presentata in questa tesi di dottorato mira a chiarire i meccanismi molecolari alla base delle risposte del sistema radicale agli stimoli ambientali, con un'enfasi particolare su due tipologie di stress: stress meccanico e stress da siccità. Verranno analizzati i recenti progressi scientifici, con particolare attenzione all'integrazione di metodologie avanzate come il sequenziamento dell'RNA (RNA-Seq) e l’editing genomico CRISPR-Cas9. Queste tecniche all'avanguardia saranno presentate come strumenti trasformativi per colmare le principali lacune conoscitive. La tesi si concentra sul tema relativamente poco studiato dello stress meccanico, affrontato sistematicamente attraverso tre capitoli distinti. Il primo capitolo presenta una revisione sistematica della letteratura, esplorando diversi aspetti della biologia dello sviluppo radicale e delle risposte agli stress. Il secondo capitolo include un articolo di rassegna che sintetizza le attuali conoscenze sugli effetti dello stress meccanico nei sistemi vegetali. Inoltre, comprende due studi trascrittomici che analizzano le risposte a breve termine alla curvatura radicale in due specie modello: Populus nigra, come modello perenne legnoso, e Arabidopsis thaliana, come modello erbaceo annuale. I dati di sequenziamento dell'intero trascrittoma sono stati analizzati in intervalli temporali brevi (1 e 6 ore), rivelando dinamiche trascrittomiche specifiche per ciascun lato della radice. I risultati ottenuti dalle radici legnose di Populus nigra hanno evidenziato modificazioni trascrizionali distinte tra i lati concavo e convesso della curvatura, in particolare nei percorsi legati al rimodellamento della parete cellulare, alla segnalazione del calcio e al metabolismo delle specie reattive dell'ossigeno. Sono stati identificati geni chiave coinvolti nel metabolismo della lignina e della pectina, come le pectinesterasi e le xiloglucano endotransglucosilasi/idrolasi, regolatori essenziali della dinamica del citoscheletro e del rinforzo della parete cellulare. Questi risultati evidenziano una strategia trascrizionale coordinata per mantenere sia la flessibilità che la stabilità sotto stress meccanico. In Arabidopsis thaliana, il lato convesso ha mostrato un'attivazione precoce dei percorsi di stress ossidativo e di iniziazione delle radici laterali, con la sovraregolazione di geni come LRP1 e WRKY38, associati alla segnalazione dell'auxina e dell'acido abscissico. Al contrario, il lato concavo ha principalmente attivato adattamenti strutturali, con un'aumentata espressione di geni coinvolti nella biogenesi della parete cellulare e nella segnalazione dell'etilene. Il terzo capitolo si concentra sulla caratterizzazione funzionale del gene DRO1 nel pomodoro, il quale svolge un ruolo cruciale nella determinazione dell'angolo radicale, un tratto chiave per ottimizzare l’assorbimento di acqua e nutrienti in condizioni di stress. Questo capitolo include un articolo di revisione che riassume i più recenti progressi nella biologia dello stress abiotico ottenuti tramite l’editing genomico.