The maize ZmCcd8 mutant, impaired in SL synthesis, displays different physiological and molecular responses to nitrogen in field.

Never as nowadays, due to the increasing global population and climate changes, which led to the frequent occurrence of extreme events; agriculture need to face urgent challenges to limit the consequences of environmental stress. The trend that’s been used lately is to increase the chemicals treatments both to counter biotic stress deriving from the increase in Phyto-parasites or to improve tolerance to abiotic stress, due for example to the lack of nutrients. However, this can’t be the resolution to these adversities because the unrestrained use of chemicals already led to problems such as the rise of residues levels in agriculture products and the water eutrophication; that aren’t no longer sustainable. The improvement of crops tolerance to low nutrient levels is crucial to reduce the use of chemical fertilizers. One approach could be studying how the major crops sense, uptake and use the essential nutrients. Nitrogen (N) is and one of the most important macronutrients for plants, this explains both why it’s even the most used as fertilizer and why it is so important to maximize the Nitrogen Use Efficiency (NUE). Among the most productive crops we can for sure find maize (Zea mays L.) which provides a large amount of food as well as feed for the livestock; so it is very interesting to understand how it absorbs and assimilates nitrogen. It’s known that the main forms absorbed by maize are nitrate (NO3−) or ammonium (NH4+), these molecules aren’t just used as nutrients but also function as -signals. In recent studies it’s been underlined how the perception of nitrate is mostly achieved through the transition zone (TZ) of maize root and seems to involve nitric oxide (NO), reactive oxygen species (ROS) homeostasis, and hormonal (auxin and strigolactones) signalling. The role of Strigolactones (SLs), should be investigated further, since it’s still not very clear how these carotenoid-derived phytohormones work, despite being heavily involved especially in abiotic stress response, acting both as endogenous and exogenous signalling molecules. To understand the role played by SLs in the response to N starvation, we assessed the phenotypical, physiological and transcriptional responses of the wild type maize inbred line B73 and compared them with those observed for plants of the ZmCCD8 knockout mutant. Both genotypes have been grown in field and both were tested in condition of urea fertilization and without urea supply. ZmCCD8 is characterized by a knockout mutation of the CCD8 gene which encodes the CAROTENOID CLEAVAGE DIOXYGENASE8 that is necessary for the biosynthesis of SLs. For the physiological essays two different instruments were used weekly: the DUALEX SCIENTIFIC+™ to assess levels of chlorophyll (CHL), anthocyanins (ANTH), flavonoids (FLAV) and NBI value (Nitrogen Balance Index), essential to check the global status of the plant, and the LI-600 Porometer/Fluorometer to check if there were also differences in stomatal conductance. The plant growth has also been assessed in correspondence of the same time-points by measuring the heights, internodes length, stems circumferences, leaves number and length. Regarding the transcriptional responses, at selected time-points total RNA was extracted from leaves of both genotypes and both treatments and the expression of previously selected genes was assessed. Our results confirmed the crucial involvement of SLs in the adaptation of maize to low nitrogen and allowed to identify few key molecular components underlying their action and potentially suitable to be used to improve the maize tolerance to nitrogen shortage.

Mai come oggi, a causa dell'aumento della popolazione mondiale e dei cambiamenti climatici, che hanno provocato il frequente verificarsi di eventi estremi; l'agricoltura deve affrontare sfide urgenti per contenere le conseguenze degli stress ambientali. La strategia adottata ultimamente è quella di aumentare i trattamenti chimici sia per poter contrastare lo stress biotico derivato dall'aumento dei fitoparassiti sia per migliorare la tolleranza agli stress abiotici, conseguenti, per esempio, alla carenza di nutrienti. Tuttavia, questa non può essere la soluzione a queste avversità, poiché l'uso eccessivo di sostanze chimiche ha già causato problemi come l'aumento dei livelli di residui nei prodotti agroalimetari e l'eutrofizzazione delle acque; che non sono più sostenibili. Per ridurre l'uso di fertilizzanti chimici è fondamentale migliorare la tolleranza delle colture alla scarsità dei nutrienti. Per questo scopo, un approccio potrebbe essere quello di studiare come le piante coltivate percepiscono, assorbono e utilizzano i nutrienti essenziali. L'azoto (N) è uno dei macronutrienti più importanti per le piante, questo spiega sia perché è il più utilizzato come fertilizzante, sia perché è così importante massimizzare l'efficienza d'uso dell'azoto (NUE). Tra le colture più produttive troviamo sicuramente il mais (Zea mays L.) che fornisce una grande quantità di cibo oltre che di mangime per il bestiame; è quindi molto interessante capire come assorba ed assimili l'azoto. Nitrato (NO3−) ed ammonio (NH4+) sono le principali forme azotate assorbite dal mais, queste molecole non vengono utilizzate dalla pianta solo come nutrienti, ma svolgono anche la funzione di molecole segnale. In studi recenti è stato evidenziato come la percezione del nitrato in mais avvenga principalmente attraverso la zona di transizione (TZ) della radice e che coinvolga il monossido di azoto (NO), la regolazione dell'omeostasi delle specie reattive dell’ossigeno (ROS), e la via di segnalazione di ormoni (auxine e strigolattoni) che infine attivano una via di trasduzione nel resto della radice. Il ruolo degli Strigolattoni (SL), in particolare, dovrebbe essere ulteriormente approfondito, poiché non è ancora molto chiaro come funzionino questi fitormoni derivati dai carotenoidi, nonostante siano largamente coinvolti soprattutto nella risposta allo stress abiotico, agendo sia come molecole segnale endogene che esogene. Per comprendere il ruolo svolto dagli SL nella risposta alla carenza di N, abbiamo valutato le risposte fenotipiche, fisiologiche e trascrizionali della linea wild type di Zea mays L. B73 e le abbiamo confrontate con quelle delle piante del mutante knockout ZmCCD8. Entrambi i genotipi sono stati coltivati in campo ed entrambi sono stati testati in condizioni di fertilizzazione con urea e senza somministrazione di urea. Il mutante ZmCCD8 è cateterizzato da una mutazione knockout del gene CCD8 che codifica per la CAROTENOID CLEAVAGE DIOXYGENASE8 necessaria per la biosintesi degli SL. Per le valutazioni fisiologiche sono stati utilizzati settimanalmente due strumenti: il DUALEX SCIENTIFIC+™ per valutare i livelli di clorofilla (CHL), antociani (ANTH), flavonoidi (FLAV) ed il valore NBI (Nitrogen Balance Index), essenziale per monitorare lo stato globale della pianta, e il LI-600 Porometer/Fluorometer per verificare se vi fossero anche differenze di conduttanza stomatica. Contemporaneamente abbiamo controllato la crescita delle piante misurandone le altezze, la lunghezza degli internodi, le circonferenze dei fusti, il numero e la lunghezza delle foglie. Per quanto riguarda le risposte trascrizionali, l'RNA totale è stato estratto dalle foglie di entrambi i genotipi e trattamenti ed è stata valutata l'espressione di geni precedentemente selezionati in corrispondenza di specifici time-points. I nostri risultati ...