Analisi della germinazione di popolazioni europee di Echinochloa crus-galli: potenziale idrico di base e implicazioni per la gestione

This thesis investigated the basic water potential (Ψb) of 19 European populations of Echinochloa crus-galli, one of the most adaptable, widespread and problematic weeds globally. Seeds from Portugal, Spain, France, Italy, Greece, Czech Republic, Poland, Germany, Latvia, Denmark and Norway were collected in summer-autumn 2023 and sent to the University of Padua, where they were analyzed at DAFNAE laboratories. Following preliminary germination tests, which demonstrated high dormancy among the populations, a scarification protocol to uniformly break dormancy was adopted. Chemical scarification involved a treatment with 96% sulfuric acid for 8 minutes, followed by washing with distilled water and drying for 48 h. After that, germination tests were conducted to determine the basic water potential, using polyethylene glycol (PEG) 6000-based solutions to simulate 8 levels of water potential: 0 (control-deionized water), -0.05, -0.10, -0.25, -0.38, -0.5, -0.8, -1 MPa. For some populations, it was necessary to add two additional levels with water potential equal to -1.25 and -1.5 MPa. For each population and each water potential, 4 replicates of 50 seeds each were made. Germinations were monitored 3 times a week, with germinated seeds recorded and removed. In addition to the basic water potential, some morphological parameters of the seeds were studied such as area, perimeter, circularity and weight of 100 seeds. Statistical analyses were performed in RStudio: drc and drcSeeds packages were used to estimate the basic water potential, followed by t-test (p < 0.05) to evaluate the presence of significant differences between populations; a one-way non-parametric ANOVA followed by Dunn's post hoc test (p < 0.05) was performed to evaluate the difference between seed morphological characteristics; one-way parametric ANOVA was performed only for the weight parameter. Two multivariate statistical analyses (PCA and RandomForest), a multiple linear regression and a correlation analysis were also performed. The results revealed a high intraspecific variability among European populations of Echinochloa crus-galli both for Ψb and seed morphological parameter. PCA analysis highlighted how climatic factors represent one of the main sources of variability among the populations under study while RandomForest and multiple linear regression demonstrated that precipitation is the parameter that most influences Ψb; correlation analysis demonstrated that the relationship between Ψb and precipitation is significant and positive. The data obtained from this experiment contribute to implementing the knowledge related to germination conditions and characteristics of E. crus-galli seeds, providing data on Ψb useful for the calibration of models for the prediction of weed emergence that will make possible an extension of precision agriculture aimed at the time of intervention in new locations.

La presente tesi ha esaminato il potenziale idrico di base (Ψb) di 19 popolazioni europee di Echinochloa crus-galli, una delle infestanti più adattabili, diffuse e problematiche a livello globale. I semi provenienti da Portogallo, Spagna, Francia, Italia, Grecia, Repubblica Ceca, Polonia, Germania, Lettonia, Danimarca e Norvegia sono stati raccolti nell’estate-autunno 2023 e inviati all’Università degli Studi di Padova, dove sono stati analizzati presso i laboratori DAFNAE. In seguito a test preliminari di germinazione, che hanno dimostrato un elevato grado di dormienza delle popolazioni, è stato adottato un protocollo di scarificazione per uniformare la rottura della dormienza. La scarificazione chimica ha previsto un trattamento con acido solforico al 96% per 8 minuti, seguito da lavaggio con acqua distillata e asciugatura per 48 ore. A seguito sono stati condotti test di germinazione volti alla determinazione del potenziale idrico di base, utilizzando soluzioni a base di polietilenglicole (PEG) 6000 per simulare 8 livelli di potenziale idrico: 0 (controllo-acqua deionizzata), -0.05, -0.10, -0.25, -0.38, -0.5, -0.8, -1 MPa. Per alcune popolazioni si è resa necessaria l’aggiunta di ulteriori due livelli con potenziale idrico pari a -1.25 e -1.5 MPa. Per ogni popolazione e ogni potenziale idrico sono state realizzate 4 repliche da 50 semi ciascuna. Le germinazioni sono state monitorate 3 volte a settimana, registrandole e rimuovendo i semi germinati. Oltre al potenziale idrico di base sono stati studiati alcuni parametri morfologici dei semi quali area, perimetro, circolarità e peso di 100 semi. Le analisi statistiche sono state condotte in RStudio: per stimare il potenziale idrico di base sono stati utilizzati pacchetti drc e drcSeeds, seguiti da test t (p < 0.05) per valutare la presenza di differenze significative tra le popolazioni; per valutare la differenza tra le caratteristiche morfologiche dei semi è stata condotta un’analisi ANOVA non parametrica a una via seguita dal test post hoc di Dunn (p < 0.05), solo per la caratteristica peso è stata eseguita ANOVA parametrica a una via. Sono state inoltre condotte due analisi statistiche multivariate (PCA e RandomForest), una regressione lineare multipla e un’analisi di correlazione. I risultati hanno rilevato un’elevata variabilità intraspecifica tra le popolazioni europee di Echinochloa crus-galli sia per quanto riguarda il Ψb sia per le caratteristiche morfologiche dei semi. L’analisi PCA ha evidenziato come i fattori climatici rappresentano una delle principali fonti di variabilità tra le popolazioni in studio mentre RandomForest e regressione lineare multipla hanno dimostrato che le precipitazioni sono il parametro che maggiormente influenza il Ψb; l’analisi di correlazione ha dimostrato che la relazione tra Ψb e le precipitazioni è significativa e positiva. I dati ottenuti dalla presente sperimentazione contribuiscono a implementare le conoscenze relative alle condizioni di germinazione e alle caratteristiche dei semi di E. crus-galli, fornendo dati sul Ψb utili per la calibrazione di modelli per la previsione dell’emergenza delle infestanti che renderanno possibile un’estensione dell’agricoltura di precisione mirata al momento di intervento in nuove località.