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Aug 06, 2023

Miglioramento della tolleranza alla siccità dei mutanti di erba medica mutagenizzata EMS (Medicago sativa L.) mediante screening in vitro in fase di germinazione

Scientific Reports volume 12,

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 12693 (2022) Citare questo articolo

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Gli obiettivi di questo studio erano di determinare nuovi genotipi mutanti tolleranti alla siccità dell'erba medica (Medicago sativa L.) mediante screening dei semi 340675 M3 mutagenizzati EMS nelle fasi di germinazione in presenza di stress osmotico del 35% di PEG6000. Il test di crescita delle radici ha fornito diversi mutanti candidati resistenti alla siccità. Di questi, 4 mutanti sono stati ulteriormente valutati in condizioni di deficit idrico applicate per 24 giorni dopo il primo taglio allo stadio di gemma fiorita. I risultati hanno rivelato che i mutanti determinati come resistenti alla siccità nella fase di germinazione erano tolleranti anche alle condizioni di deficit idrico. Il contenuto proteico e i valori di superossido dismutasi sono risultati più elevati in tutti i mutanti rispetto ai controlli. I valori di perossidi di ascorbato, ghiottone reduttasi e perossidasi lipidica variavano in base al genotipo mutante e alla durata dello stress da siccità. Lo stress da siccità ha modificato significativamente i livelli trascrizionali dei geni MtP5CS, MtDehyd, MseIF-2, MtRD2 e MsNAC. Questi risultati hanno indicato che lo screening in vitro dei semi mutanti di erba medica per la tolleranza osmatica nelle fasi di germinazione e di crescita iniziale della piantina è stato in grado di determinare con successo i mutanti di erba medica resistenti alla siccità che erano anche tolleranti alle condizioni di deficit idrico dopo il primo taglio allo stadio di gemma in fioritura.

Il riscaldamento globale sta minacciando la produzione agricola odierna limitando l’acqua per l’irrigazione necessaria per la produzione vegetale1. Pertanto, lo sviluppo di nuove varietà vegetali in grado di tollerare meglio le condizioni di stress da siccità e ridurre al minimo le perdite di rendimento ha un’importanza strategica in termini di garanzia della sicurezza alimentare delle generazioni future. Tuttavia, la complessa struttura del meccanismo dello stress da siccità è una delle ragioni più importanti del lento progresso degli studi sulla riproduzione2. La tolleranza alla siccità mostra un'eredità quantitativa controllata da diversi geni3. Anche le relazioni epistatiche e pleiotropiche tra questi geni ne rendono estremamente difficile la messa in pratica per gli studi sulla selezione3. Inoltre, anche fattori come i periodi di sviluppo di una pianta, la durata e la gravità degli stress sono determinanti importanti per valutare l’entità dell’eredità quantitativa dello stress da siccità4.

Le piante resistenti alla siccità hanno la capacità di svolgere le loro normali funzioni anche in condizioni di basso potenziale idrico5. Le piante utilizzano diverse strategie in condizioni di deficit idrico per ridurre al minimo gli effetti deleteri dello stress da siccità a livelli fisiologici, morfologici e trascrizionali. Le piante utilizzano anche una strategia di fuga definita come la capacità delle piante di mantenere un elevato potenziale idrico in condizioni di siccità. Questa strategia è generalmente fornita da alcuni cambiamenti agromorfologici nelle piante, come la riduzione dell'area fogliare, la riduzione del numero e della conduttività degli stomi, la formazione di sistemi radicali densi e l'aumento del rapporto radice/stelo6.

L'erba medica (Medicago sativa L.) è una coltura foraggera essenziale e riveste un'importanza economica significativa in tutto il mondo grazie al suo inestimabile contributo all'agricoltura e all'allevamento sostenibili in vari modi7, tra cui l'elevata resa del fieno, l'eccezionale qualità nutrizionale e la capacità di fissare l'azoto8. Le varietà coltivate all'interno delle specie di erba medica sono autotetraploidi con genomi quasi identici9. L'erba medica si dimostra generalmente resistente alla siccità grazie al suo apparato radicale profondo che generalmente si accentua nei pochi anni successivi alla semina10. Tuttavia, insieme alla germinazione e alla crescita precoce delle piantine, la fase di ricrescita dell’erba medica subito dopo il taglio nell’anno di semina è molto vulnerabile allo stress da siccità. Inoltre, l’erba medica necessita di molta più acqua per l’irrigazione rispetto ad altre piante coltivate, soprattutto nelle zone aride, poiché viene raccolta più volte e fornisce il foraggio con la resa più elevata in una stagione di crescita.

Sebbene sia stato ottenuto un successo parziale nello sviluppo di nuove varietà di erba medica che tollerano vari stress abiotici, inclusa la siccità11, sono stati compiuti progressi molto limitati rispetto ad altre importanti specie di colture12. Inoltre, l'identificazione delle piante tolleranti allo stress da siccità mediante selezione diretta dipende principalmente sia dalla variazione genetica del materiale utilizzato sia dal successo dei metodi di screening. Sembra essere molto difficile sviluppare nuovi genotipi di erba medica resistenti alla siccità utilizzando il metodo dell'incrocio e analizzando la ristretta base genetica esistente di erba medica13. Pertanto, abbiamo utilizzato la mutagenesi dell'etil metan solfonato (EMS) per creare una nuova variazione genetica. Lo screening dei semi mutanti M3 in fase di germinazione in condizioni in vitro ha fornito diversi candidati resistenti alla siccità. Quattro di essi sono stati anche rivalutati a livello fisiologico, morfologico e trascrizionale in condizioni di deficit idrico applicati per 24 giorni dopo il primo taglio allo stadio di bocciolo fiorale, considerato anche come un altro stadio critico per determinare le prestazioni di ricrescita dell'erba medica in entrambi i casi. condizioni di crescita irrigate e non irrigate. Le risposte allo stress da siccità dei mutanti sono state confrontate con piante di controllo irrigate e non irrigate.