Profilazione comparativa del trascrittoma per svelare le principali vie di segnalazione molecolare e la plasticità adattativa alla siccità nel sistema radicale della canna da zucchero portato dai germogli

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12853 (2023) Citare questo articolo

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Il sistema radicale della canna da zucchero è composto da radici superficiali e da radici portate da germogli (SBR) che penetrano profondamente, essendo quest'ultimo il sistema radicale permanente. Nella canna da zucchero, l'SBR sano contribuisce a una migliore resa del raccolto e aiuta anche a produrre più raccolti di ratoon dopo il raccolto. Vi è una carenza di conoscenze approfondite sull’architettura del sistema SBR e sul suo ruolo funzionale nei moderni ibridi commerciali. Un profilo fenotipico, anatomico e dell'intero trascrittoma completo, condotto tra gli ibridi commerciali di canna da zucchero e un germoplasma selvatico di Erianthus, ha rilevato un ritardo dello sviluppo sia nell'inizio che nell'instaurazione dell'SBR nell'ibrido commerciale rispetto all'Erianthus. Il sistema SBR nell'Erianthus si è dimostrato un'architettura estensiva del sistema radicale adattabile alla siccità che contribuisce in modo significativo alla tolleranza alla siccità. D'altra parte, gli SBR negli ibridi commerciali hanno mostrato un collasso irreversibile e un danno delle cellule radicali sotto stress da siccità. I risultati dell'analisi comparativa dei dati del trascrittoma hanno mostrato una significativa sovraregolazione dei geni che regolano importanti vie di segnalazione dello stress, vale a dire zucchero, calcio, segnalazione ormonale e biosintesi del fenilpropanoide negli SBR di Erianthus. Si è scoperto che attraverso queste vie di segnalazione chiave, gli SBR di Erianthus attivavano la cascata di segnalazione a valle per impartire risposte fisiologiche come osmoprotezione, modificazione delle pareti cellulari, disintossicazione delle specie reattive dell'ossigeno, espressione di fattori di trascrizione reattivi alla siccità, mantenimento della stabilità cellulare e della radice laterale sviluppo. Lo studio attuale costituisce una base per un’ulteriore esplorazione del sistema delle radici generate dai germogli come prezioso obiettivo di selezione per sviluppare genotipi di canna da zucchero resistenti alla siccità.

A livello globale, la frequenza degli stress abiotici quali siccità, salinità, ristagni idrici, temperature elevate e altre condizioni meteorologiche estreme aumenta ogni anno1. La canna da zucchero è una delle colture commerciali più importanti dal punto di vista economico ed è una delle principali fonti di zucchero in tutto il mondo. Tuttavia, la siccità sta emergendo come un grave problema che colpisce la produttività e la produzione della canna da zucchero in tutto il mondo. L'India, con una superficie di 5,1 milioni di ettari, è uno dei paesi leader nella coltivazione della canna da zucchero. Attualmente, in India, circa 0,29 milioni di ettari di terreno coltivato a canna da zucchero sono soggetti a siccità2,3,4,5,6. Lo stress da siccità, in particolare nella fase formativa della coltura, inibisce oltre il 50% della sua resa7,8. L'uso di varietà tolleranti e più adattive aiuterà a raggiungere una produttività sostenibile in condizioni di stress da siccità8.

Al fine di sviluppare colture resistenti alla siccità o adattative, nei programmi di selezione sono state ampiamente prese di mira le piante con una migliore architettura del sistema radicale9. Le radici sono i primi organi del corpo vegetale a percepire lo stress da siccità e ad avviare la cascata di segnali di stress. La cascata di segnali provoca cambiamenti metabolici e molecolari nella pianta così da adattarsi a condizioni ambientali estreme10,11. In precedenza sono stati condotti studi approfonditi per svelare le vie di segnalazione molecolare delle radici e i suoi meccanismi di regolazione in modo che le strategie delle radici per mantenere le funzioni in condizioni di disponibilità idrica limitata possano essere comprese in modo migliore10,11,12,13.

L'apparato radicale della canna da zucchero è di natura molto divergente poiché forma diversi tipi di apparati radicali durante le diverse fasi del suo sviluppo14. La radice primaria, cioè le radici, si forma dagli occhi radicali delle radici vegetative, durante la germinazione delle gemme. Supporta lo sviluppo delle piantine mentre alla fine si degrada entro 60-90 giorni dalla germinazione. Dopo 5-7 giorni dalla semina, dai nodi dei germogli consecutivi nascono radici più spesse e permanenti. Questo apparato radicale è esclusivo delle monocotiledoni e forma l'apparato radicale permanente nella canna da zucchero contribuendo alla forma fisica degli adulti e alla resa finale del raccolto14,15.