“Seed Molecular Physiology” Lab

Responsabile: Prof. Alma Balestrazzi

Collaboratori: Andrea Pagano (Assegnista Post-Doc), Paola Pagano (Dottoranda), Shraddha Shridhar Gaonkar (Dottoranda), Francesca Messina (Dottoranda).

Linee di ricerca:

1. Metabolismo pre-germinativo: impatto dei meccanismi DDR (DNA damage response) sulla qualità del seme.

Obiettivo: caratterizzazione dei processi molecolari (riparo del DNA, risposta antiossidante) che determinano il vigore del seme.

Il metabolismo pre-germinativo costituisce tuttora uno degli aspetti più affascinanti della biologia del seme. La fase iniziale della germinazione si associa ad eventi molecolari che non solo consentono la transizione del seme da una fase di quiescenza ad una fase di attiva proliferazione ma ne determinano la qualità. I meccanismi di riparo del DNA si attivano durante la fase precoce della germinazione del seme (imbibizione). In questa finestra temporale, le cellule dell’embrione devono rimuovere il danno al DNA che si accumula durante il ciclo vitale del seme in condizioni sub-ottimali (maturazione sulla pianta madre, conservazione per tempi prolungati) e durante l’imbibizione, per preservare l’integrità del genoma. Il riparo efficiente del danno al DNA consente la progressione del ciclo cellulare, l’avvio della proliferazione ed il completamento del processo di germinazione. I meccanismi antiossidanti (enzimi e metaboliti) svolgono un ruolo altrettanto rilevante, poiché rimuovono le specie reattive dell’ossigeno (ROS, reactive oxygen species) e prevengono il danno genotossico. E’ stato predisposto un sistema sperimentale di riferimento costituito da semi della specie leguminosa modello Medicago truncatula L. sottoposti test di germinazione in presenza/assenza di agenti genotossici o di stress abiotico (es. stress idrico). L’impatto dei trattamenti a livello di metabolismo pre-germinativo, inteso come capacità del seme di riparare efficientemente il danno al DNA è correlato alla performance di germinazione e quindi al livello di vigore del seme. Campioni prelevati a tempi successivi durante l’imbibizione e successivamente in corrispondenza della fase di protusione della radichetta sono sottoposti ad analisi molecolare (espressione genica misurata mediante Real-Time PCR; test di genotossicità, in particolare Comet Assay e DNA Diffusion Assay; saggi di quantificazione dei ROS). La caratterizzazione include indagini high-throughput (RNA-Seq, proteomics, metabolomics, ATAC-Seq). Questo approccio sperimentale è stato esteso a specie di interesse agronomico (Medicago sativa L.; Pisum sativum L.; Solanum melongena L.).

2. Seed priming: ricerca di base ed applicata per lo sviluppo di indicatori molecolari.

Obiettivo: identificazione di geni, proteine, metaboliti che possono essere utilizzati in saggi di diagnosi precoce della qualità del seme e per il monitoraggio della risposta del seme ai trattamenti di vigorizzazione.

Lo studio dei meccanismi di riparo del DNA nel contesto del metabolismo pre-germinativo sono estesi a sistemi sperimentali (specie modello e specie di interesse agronomico-commerciale) costituiti da semi sottoposti a trattamenti di pre-semina o vigorizzazione (“seed priming”). Un tipico protocollo di priming si compone di due fasi: i) imbibizione controllata del seme per rallentare l’ingresso di acqua ed estendere cosi la finestra temporale in cui sono attivi i meccanismi di riparo (DNA damage response-DDR, risposta antiossidante), ii) disidratazione (dry-back) per riportare il seme al contenuto di acqua iniziale, conservarlo o utilizzarlo direttamente. L’industria sementiera dispone attualmente di protocolli di seed priming definiti su basi empiriche, poco riproducibili poiché la loro efficacia dipende fortemente dal genotipo e dal lotto di semi. I profili di espressione di geni che codificano per componenti chiave del network DDR e della risposta antiossidante sono analizzati durante il trattamento di imbibizione controllata (in presenza di acqua-idropriming oppure di agenti di priming specifici, ad es. PEG-osmopriming o fitormoni-ormopriming) e successivamente durante la fase di disidratazione (dry-back). Con l’ausilio di tecniche di analisi molecolare (Real-Time PCR; Comet Assay e DNA Diffusion Assay; saggi di quantificazione dei ROS). La caratterizzazione dei suddetti sistemi include indagini high-throughput (RNA-Seq, proteomics, metabolomics, ATAC-Seq). I risultati consentono di identificare indicatori (hallmarks) di stabilità del genoma vegetale utili essere utilizzati per la diagnosi precoce della qualità del seme e per la progettazione di protocolli ottimizzati di priming.

Collaborazioni nazionali e internazionali:

Questa linea di ricerca si avvale della collaborazione del Laboratorio TEM (Prof. Marco Biggiogera), del Laboratorio EPR (Dip. Chimica, Università degli Studi di Pavia, Prof. Daniele Dondi) e della Banca del Germoplasma Vegetale (Dipartimento di Scienze della Terra e dell’Ambiente, Università di Pavia, Prof. Andrea Mondoni).

A livello internazionale sono attualmente in corso collaborazioni con:

• Università Paris-Saclay (Institute of Plant Sciences Paris Saclay - Equipe Chromosome Dynamics, Francia; Dr. Cécile Raynaud, Prof. Moussa Benhamed),
• BLC3 (Technology and Innovation Campus, Portogallo; Dr. Susana Araújo),
• Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research-IPK (Genebank Department, Germania; Prof. Andreas Börner).

Le conoscenze di base acquisite sono utilizzate come punto di partenza per attività di ricerca traslazionale su specie orticole di interesse commerciale e cereali svolta in collaborazione con Industrie Agro-Sementiere italiane (ISI Sementi S.p.A.; SA.PI.SE. Coop. Agricola) e straniere (Hoopman Group) e con Istituti CREA (CREA-RGB). Si è recentemente costituito un network di ricerca (Consorzio BENEFIT-Med: 11 Istituzioni provenienti da Grecia, Francia, Portogallo, Germania, Tunisia, Marocco e Algeria coordinate da UNIPV-Prof. Balestrazzi) nell’ambito di un progetto finanziato con fondi EU che opererà sulle tematiche di seed priming applicate a specie leguminose neglette (orphan legumes). In parallelo è stato avviato un secondo network (Consorzio INPLANTOMICS: Belgio, Germania, Italia, Tunisia) nell’ambito di un altro progetto finanziato con fondi EU che si focalizzarà sullo studio del metabolismo pre-germinativo del seme di frumento con approcci di “targeted metabolomics”.