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Laboratorio di Fisiologia Molecolare del Seme

Lab. Fisiologia Molecolare del Seme

Responsabile: Prof. Alma Balestrazzi

Collaboratori: Andrea Pagano (Post-Doc), Shraddha Shridhar Gaonkar (Post-Doc), Nicolò Bedotto (Dottorando), Ridwan Diaguna (Dottorando).

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. I meccanismi di riparo del DNA si attivano durante la fase precoce della germinazione (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 (reactive oxygen species, ROS) e prevengono il danno genotossico. Il sistema sperimentale di riferimento è costituito da semi della leguminosa modello Medicago truncatula L., sottoposti test di germinazione in presenza/assenza di agenti genotossici e stress abiotico. 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 alla qualità del seme stesso. Campioni prelevati a tempi successivi durante l’imbibizione e in fase di protusione della radichetta sono sottoposti ad analisi molecolare (espressione genica misurata mediante Real-Time PCR; test di genotossicità, in particolare Comet Assay, DNA Diffusion Assay, 8-OxodG-E.L.I.S.A.; saggi di quantificazione dei ROS). La caratterizzazione include indagini high-throughput quali RNA-Seq, proteomica, metabolomica, ATAC-Seq e analisi a livello ultrastrutturale. Questo approccio sperimentale è esteso a specie di interesse agronomico, ad es. Medicago sativa L., Pisum sativum L., Solanum melongena L. e Zea mays L.
 

2. Seed priming: ricerca di base ed applicata per lo sviluppo di indicatori molecolari della qualità del seme.

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 priming.

Lo studio dei meccanismi di riparo del DNA nel contesto del metabolismo pre-germinativo è esteso a sistemi sperimentali (specie modello e specie di interesse agronomico-commerciale) costituiti da semi sottoposti a trattamenti di pre-semina (seed priming). Un tipico protocollo di seed 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, e successivamente 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, 8-OxodG-E.L.I.S.A.; saggi di quantificazione dei ROS). La caratterizzazione dei suddetti sistemi include indagini high-throughput mediante RNA-Seq, proteomica, metabolomica e ATAC-Seq. I risultati consentono di identificare indicatori (hallmarks) di stabilità del genoma vegetale che possono essere utilizzati per la diagnosi precoce della qualità del seme e per la progettazione di protocolli ottimizzati di priming.
 

3. Nuovi modelli per la caratterizzazione del metabolismo pre-germinativo: ruolo delle specie leguminose neglette (“orphan legumes”)  

Obiettivo: Sviluppo di approcci sostenibili di seed priming per la valorizzazione di specie leguminose neglette.

Questa linea di ricerca si focalizza sullo studio di specie leguminose neglette, attualmente coltivate da popolazioni locali nelle regioni dell’Area Mediterranea più vulnerabili al cambiamento climatico. Tali specie sono state escluse dai programmi di intenso miglioramento genetico applicati alle cosiddette “major crops” ed hanno di conseguenza conservato tratti di elevata resilienza a stress abiotici e biotici, combinati con un valore nutrizionale pressochè unico. L’intensificarsi degli eventi climatici estremi ha messo in evidenza la limitata performance agronomica delle “major crops”, e ha spinto l’attenzione della comunità scientifica verso le specie leguminose neglette. Nell’ambito di questa linea di ricerca, è in corso la caratterizzazione dei meccanismi molecolari che determinano l’elevata performance di germinazione in presenza di stress abiotici (siccità, salinità, onde di calore). Ciò consentirà di definire i componenti chiave di un metabolismo pre-germinativo ad elevata resilienza e di trasferire le conoscenze acquisite ad altre specie di rilevanza agronomica. Le specie neglette oggetto di studio includono Lathyrus sativus L. (cicerchia), Pisum sativum var arvense (pisello da foraggio), Trigonella foenum-graecum L. (fieno greco). Anche in questo caso si utilizzano tecniche di analisi molecolare (Real-Time PCR; Comet Assay e DNA Diffusion Assay, 8-OxodG-E.L.I.S.A.; saggi di quantificazione dei ROS) e indagini high-throughput (RNA-Seq, proteomica, metabolomica, ATAC-Seq). 

Maggiori dettagli relativi all’attivitòà di ricerca svolta presso il Laboratorio di Fisiologia Molecolare del seme si possono trovare ai seguenti links:

https://www.benefit-med.eu/
https://www.inplantomics.org/ 
https://www.prosper-horizon.eu/ 
https://www.forecast-project.eu/ 
https://www.heatddr.eu/

Collaborazioni nazionali e internazionali:

  • Università degli Studi di Pavia: Laboratorio EPR (Dip. Chimica, Prof. Daniele Dondi), Hydrogen Lab (Dip. Chimica, Prof. Chiara Milanese), Banca del Germoplasma Vegetale (Dipartimento di Scienze della Terra e dell’Ambiente, Prof. Andrea Mondoni).
  • Université Paris-Saclay (Institute of Plant Sciences Paris-Saclay - Equipe Chromosome Dynamics, Francia; Dr. Cécile Raynaud, Prof. Moussa Benhamed)
  • University of Sfax, Tunisia (Prof. Amine Elleuch, Prof. Radhouane Gdoura, Prof. Moez Hanin)
  • MORE-CoLAB, Portugal (Dr. Susana Araujo)
  • Agricultural University of Athens, Greece (Dr. Eleni Tani)
  • Benaki Phytopathological Institute, Greece (Dr. Dimosthenis Chachalis)
  • Institut Jean-Pierre Bourgin -INRAE Centre IdF Versailles Saclay, France (Dr. Massimiliano Corso)
  • Institut Jean-Pierre Bourgin - INRAE, AgroParisTech, Université Paris-Saclay, France (Prof. Loic Rajjou)
  • Aahrus University, Denmark (Prof. Fiona Hay)
  • Panora S.p.A., Italy
  • Innova-Tech Agro, Italy
  • SA.PI.SE. Sardo-Piemontese Sementi Coop Agricola, Italy
  • CREA Forests and Wood, Italy
  • CNR-IRET, Italy