Effects of Phosphate Starvation on Sugar Beet: Insights from Transcriptomics, Ionomics, and Phenomics

Macronutrient deficiency is a recurring problem in agricultural soils. Their absence or scarcity negatively affects plant growth, health, and productivity, as they are essential elements for key metabolic and structural processes. The following study focuses on phosphorus deficiency in sugar beet (Beta vulgaris L), analyzing its response to nutritional stress at the morphological, physiological, and molecular levels, with the aim to obtain a comprehensive overview of the phenomenon. The beet plants were grown under two different growth conditions: optimal phosphorus (OP) and phosphorus deficiency (LP). The development cycle of each plant was monitored in detail and analyses began when the crops were at the BBCH-19 stage. The observations combined detailed physiological phenotyping, biochemical profiling, and transcriptome sequencing to analyze the molecular and physiological mechanisms underlying P deficiency, ultimately yielding significant results. At the phenotypic level, a marked difference in growth between the root and leaf systems was determined, as well as specific tissue reprogramming at the transcriptomic level with 1,436 genes with 1,436 genes differentially expressed across roots and leaves. The multi-omic results confirmed and illustrated how the plant undertook a remarkably coordinated phosphorus deficiency response (PSR) strategy, which allowed it to balance phosphorus acquisition with internal remobilization and metabolic conservation.

La carenza di macronutrienti è un problema ricorrente nei suoli agricoli. La loro mancanza o scarsità influisce negativamente sulla crescita, sulla salute e produttività delle piante, in quanto elementi essenziali per i principali processi metabolici e strutturali. Il seguente studio si focalizza sulla carenza di fosforo nella pianta di barbabietola da zucchero (Beta vulgaris L), analizzando la sua risposta allo stress nutrizionale a livello morfologico, fisiologico e molecolare, con l’obiettivo di ottenere un quadro completo e rappresentativo del fenomeno. Le piante di barbabietola sono state allevate mediante un sistema fuori suolo idroponico in due condizioni di crescita differenti: situazione ottimale di fosforo (OP) e carenza di fosforo (LP) mediante la somministrazione di soluzione di Hoagland e Arnon modificata. Il ciclo di sviluppo di ciascuna pianta è stato seguito nel dettaglio e le analisi sono iniziate quando le colture si trovavano allo stadio BBCH-19. Le osservazioni hanno combinato una fenotipizzazione fisiologica dettagliata, un profilo biochimico e il sequenziamento del trascrittoma per analizzare i meccanismi molecolari e fisiologici alla base della carenza di fosforo, ottenendo risultati significativi. A livello fenotipico è stata determinata una marcata differenza di crescita tra l’apparato radicale e fogliare, nonché a livello trascrittomico una riprogrammazione specifica dei tessuti con 1.436 geni espressi in modo differenziale nelle radici e nelle foglie. I risultati multi-omici hanno confermato ed illustrato come la pianta abbia intrapreso una strategia di risposta alla carenza di fosforo (PSR) notevolmente coordinata, che le ha permesso di bilanciare l’acquisizione di fosforo con la rimobilizzazione interna e la sua conservazione metabolica.