c o r s formazione GenHORT What is Plant Stress • Plant stress is the reaction of plants to environmental conditions that are unfavorable to growth, such as lack of sufficient nutrients, inadequate watering, flooding, high or low temperature, disease or insect infestation. c o r s formazione GenHORT Stresses • External conditions that adversely affect growth, development, or productivity • Stresses trigger a wide range of plant responses: – altered gene expression – cellular metabolism – changes in growth rates and crop yields c o r s formazione GenHORT c o r s formazione GenHORT Types of Stress • Biotic - imposed by other organisms • Abiotic - arising from an excess or deficit in the physical or chemical environment – Biotic and abiotic stresses can reduce average plant productivity by 65% to 87%, depending on the crop, area etc. c o r s formazione GenHORT Biotic Factors • • • • • microorganisms (bacteria and fungal) virus parasitic plants (piante parassite) insects nematodes c o r s formazione GenHORT Percentuale di aree di terreno degli USA soggette a stress ambientali c o r s formazione GenHORT Stress % aree Siccita’ Freddo Salinita’ Altri Nessuno 25,3 16,5 10,8 35,3 12,1 S pec ie M ais G rano S oi a S orgo Av e na O rzo Patata B arb ati el a da zuc c hero Produz ione record Produz ione m ed ia Perd ita dovu ta a st ress ab io tic i 19.3 14.5 7.39 20.1 10.6 11.4 94.1 121.0 4.6 1.88 1.61 2.83 1.72 2.05 28.3 42.6 65.8 82.1 69.3 80.6 75.1 75.4 54.1 50.7 B ray E., 2000 Gli stress abiotici costituiscono il limite maggiore alla produttività delle colture c o r s formazione GenHORT Nutrient deficiency • A lack of one or more essential elements needed by plants for optimum growth lead to plant stress. Macroelements Element Microelements Symbol Element Symbol Nitrogen N Chlorine Cl Phosphorous P Iron Fe Potassium K Boron B Manganese Mn Calcium Ca Zinc Zn Magnesium Mg Copper Cu Molybdenum Mb Nickel Ni Sulfur c o r s formazione GenHORT S Other Factors • Chemical Injury • Mechanical Injur • Transplant Shock. c o r s formazione GenHORT c o r s formazione GenHORT High temperature Stress c o r s formazione GenHORT Phosphorus deficiency c o r s formazione GenHORT SULFUR DEFICIENCY c o r s formazione GenHORT NITROGEN DEFICIENCY c o r s formazione GenHORT c o r s formazione GenHORT Plant Response to Abiotic Stress • arising from an excess or deficit in the physical or chemical environment c o r s formazione GenHORT Environmental conditions that can cause stress • • • • • drought or too much water high or low temperatures excessive soil salinity inadequate mineral in the soil too much or too little light c o r s formazione GenHORT Congelamento Freddo Salinità STRESS ABIOTICI photoinhibition light UV damage Ossidativo Siccità Anossia Contaminazione suolo e aria Alte temperature = Stress osmotico c o r s formazione GenHORT c o r s formazione GenHORT Nuovi stress ambientali: c o r s formazione GenHORT •Effetto serra aumento CO2 •Buco ozono raggi UVB •Inquinanti bassa atmosfera O3, SO2 Why is there a need for stress tolerant plants? • “Drought stress accounts for more production losses than all other factors combined” • Agricultural plant science has had two main goals : to increase yield and quality of agricultural products and to improve the protection of crops to stresses c o r s formazione GenHORT Maize is a typical crop which scientists are trying to improve Why is there a need for stress tolerant plants? • As the Earths population increases, new means of improving crop productivity must be found to increase the resources available. c o r s formazione GenHORT • Intensive irrigation and agriculture has led to severe problems such as increased salinity in the soil. • Global climate change is altering environmental conditions c o r s formazione GenHORT Stress e produzione Significato economico dei fattori di stress abiotico in agricoltura - Produttività e stabilità delle produzioni - Potenziale genetico - Adattamento ambientale - Conoscenza dei meccanismi d’azione dei fattori che generano stress e delle reazioni metaboliche delle piante c o r s formazione GenHORT Come risponde una pianta a condizioni di stress? Morte Anticipo di fioritura/fruttificazione (sopravvivenza) Adattamento Meccanismi protettivi/riparativi Piante tolleranti c o r s formazione GenHORT Piante NON tolleranti Resistance or sensitivity of plants to stress depends on: • the species • the genotype • development age c o r s formazione GenHORT Meccanismi adattativi di resistenza: “ESCAPE”: la pianta previene o sfugge la condizione di stress (ciclo biologico: precocità e tardività, dormienza) Plant avoid the injury of stress by regulating its life cycle to avoid meeting with stress. Es. some desert plants germinate, grow and flower very quickly following seasonal rains. They thus complete their life cycle during a period of adequate moisture and form dormant seeds before the onset of dry season. c o r s formazione GenHORT “AVOIDANCE”: la pianta esclude lo stress: riesce a mantenere un elevato turgore in condizioni di deficit idrico (riduzione densità stomatica, morfologia foliare, sviluppo apparato radicale) Es.: alfafa survive dry habitats by sending down deep root systems that penetrate the water table. Es.: salt-secretion halophytes secrete the salts out from the leaf thus reduce salt content in the leaf. c o r s formazione GenHORT “TOLERANCE”: la pianta riesce a mantenere le principali attività metaboliche (accumulo di prolina, accumulo di ABA, sintesi proteica) Plants adapt to the stress by regulating their metabolism and repair the damage caused by stress. Es. highly salt tolerant halophytes such as suaeda salsa survive salty habitat by many strategies such as high osmotic adjustment ability, high ion compartmentalization ability and so on. c o r s formazione GenHORT c o r s formazione GenHORT c o r s formazione GenHORT c o r s formazione GenHORT Adaptation / Acclimation • Adaptation and acclimation both are means of achieving tolerance to a particular stress. • Adaptation refers to heritable modifications in structure or function that increase the fitness of the organism in the stressful environment. • Acclimation refers to nonheritable physiological modifications that occur over the life of an individual. These modifications are induced by gradual exposure to the stress. E.g. slow drying increases the drought resistance of plants. • The process of acclimation is known as hardening. c o r s formazione GenHORT Stress resistance mechanisms • Escape - plant avoid meeting with stress • Avoidance mechanisms - prevents exposure to stress • Tolerance mechanisms - permit the plant to withstand stress • Acclimation - alter their physiology in response stress c o r s formazione GenHORT Damages of stress to the plant stress Primary damage Secondary damage e.g. water stress in salt stress Primary directdamage (injury to the plasmalemma) c o r s formazione GenHORT Primary indirect damage (dysfunction of metabolism) Damages of stress to the plant • Bio-membrane – Change in membrane phase – Change in membrane constituents – Change in membrane permeability c o r s formazione GenHORT • Photosynthesis – Decrease in Photosynthetic rate (Pn) – Decrease in stomatal aperture – Decrease in the maximum quantum efficiency of Photosystem II (Fv/Fm) c o r s formazione GenHORT • Respiration – Change in respiration path – Decrease in respiration rate under freezing, hot and flooding stress – Increase in respiration rate under wounding and pathogen stress – Under chilling and drought stress, the respiration rate increase first and then decrease c o r s formazione GenHORT • Changes of phytohormone level – Decrease in IAA, CTK, GB – Significant increase in ABA – Increase of Eth under flooding c o r s formazione GenHORT Cosa si è fatto per migliorare la situazione: •Modificare l’ambiente (molto poco rispetto stress biotici): correggendo il pH del suolo, applicando fertilizzanti (salinità, contaminazioni del suolo, s. ossidativo), irrigando (siccità), •Modificare le piante: sviluppo di nuove cultivar adattate a condizioni ambientali avverse. c o r s formazione GenHORT Sviluppo di cultivar adattate a condizioni ambientali avverse •Miglioramento genetico (incroci, selezione, etc.) classico •Nuove tecnologie (ingegneria genetica: isolamento e clonaggio di geni, trasformazione genetica, rigenerazione piante fertili, etc.) c o r s formazione GenHORT Effetti dell’introduzione di nuove cultivar resistenti a condizioni di stress ambientali: •Aumento della stabilità di produzione nelle attuali aree coltivate soggette a condizioni ambientali fluttuanti, •Possibilità di coltivare in zone attualmente considerate marginali, •Riduzione dei costi di produzione (risparmio per l’irrigazione, uso di acque salmastre, ect.) c o r s formazione GenHORT Fattori che limitano l’intervento genetico: •Ancora scarsa conoscenza delle basi biochimiche, fiosiologiche e molecolari della resistenza, •scarsa conoscenza delle basi genetiche delle resistenza (quali geni?, quali funzioni?, quanti geni?), •risposta molto complessa, 2000 geni coinvolti. c o r s formazione GenHORT • Classical breeding programs develop new traits by combining different germplasms in order to exploit natural or artificially induced diversity and, subsequently, to select for desired properties. • The problem with traditional plant breeding is that it is time consuming and laborious; it is difficult to modify single traits; and it relies on existing genetic variability. c o r s formazione GenHORT How plants respond to environmental stress Environmental stress Stress characteristics Plant characteristics Severity Severity Organs or tissue in question Duration Duration Number of Number of expositiom exposition Combination of stresses c o r s formazione GenHORT Response Results Resistance Survival and growth Stage of development Susceptibility Genotype Death Changes in gene expression to stress • A stress response is initiated when plants recognizes stress at the cellular level • Stress recognition activates signal transduction pathways that transmit information within the individual cell and throughout the plant • Changes in gene expression may modify growth and development and even influence reproductive capabilities c o r s formazione GenHORT Regulation of plant stress responses • • • • Abscisic acid (ABA) Jasmonic acid Ethylene Calcium c o r s formazione GenHORT Gene expression results in: • • • • • Increase amounts of specific mRNA Enhance translation Stabilize proteins Altered protein activity A combination of the above c o r s formazione GenHORT percezione del segnale di stress Trasmissione/amplificazione Plant response osmoliti osmoprottetivi de novo sintesi di proteine bilancio metaboliti antiossidanti accumulo ABA uptake ioni STRESS turnover proteico modificazione parete antipatogeni sequestro ioni c o r s formazione GenHORT modificazione membrane Plants are sessile and must affront stresses in place • Plants cannot avoid stress after germination • How plants affront stress has implications in – Ecology: Stress responses help explain geographic distribution of species – Crop science: Stress affects productivity – Physiology and biochemistry: Stress affects the metabolism of plants and results in changes in gene expression c o r s formazione GenHORT Heat-stressed wheat Stresses are abiotic or biotic • • • ABIOTIC STRESSES BIOTIC STRESSES Environmental, nonbiological • Temperature (high / low) • Water (high / low) • Salt • Radiation • Chemical Caused by living organisms • Fungi • Bacteria • Insects • Herbivores • Other plants/competition Stresses cause responses in metabolism and development Injuries occur in susceptible plants, can lead to impeding flowering, death Ephemeral plants avoid stress – Mexican poppies in US desert SW – Only flower after wet winter – Die before summer returns c o r s formazione GenHORT Preferable! Plants must be stress resistant to survive • Avoidance also possible by morphological adaptations – Deep tap roots in alfalfa allow growth in arid conditions – Desert CAM plants (a plant that utilizes the Crassulacean acid metabolism (CAM) as an adaptation for arid conditions) store H2O in fleshy photosynthetic stems • • Stress resistant plants can tolerate a particular stress - Resurrection plants (ferns) can tolerate dessication of protoplasm to <7% H2O can rehydrate dried leaves Plants may become stress tolerant through – Adaptation: heritable modifications to increase fitness: CAM plants’ morphological and physiological adaptations to low H2O environment – Acclimation: nonheritable physiological and biochemical gene expression: cold hardening induced, by gradual exposure to chilling temps, tolerance in plants c o r s formazione GenHORT Alfalfa plant Alfalfa taproot Heat stressed rose leaf • • • • • Growth rate Temperature ABIOTIC STRESS: Temperature Plants exhibit a wide range of T.opt (optimum temperature) for growth We know this is because their enzymes have evolved for optimum activity at a particular T Environmental conditions frequently oscillate outside ideal T range Deserts and high altitudes: hot days, cold nights Three types of temperature stress affect plant growth Chilling, freezing, heat c o r s formazione GenHORT T.opt Growth temperature Chilling injury • Common in plants native to warm habitats – Peas, beans, maize, Solanaceae • Affects – seedling growth and reproduction – multiple metabolic pathways and physiological processes • Reduced respiration, photosynthesis, protein synthesis • Patterns of protein expression • • • • Initial metabolic change: alteration of physical state of cellular membranes Temperature changes lipid and thus membrane properties Chilling sensitive plants have more saturated FAs in membranes: these congeal at low temperature (like butter!) Liquid crystalline gel transition occurs abruptly at transition temperature c o r s formazione GenHORT Livello pianta • • • Livello cellulare Livello fisiologico • membrane riduzione della crescita fogliare • chiusura degli stomi • potenziale osmotico • potenziale idrico cambiamenti dell’ apparato radicale • diminuzione della velocità fotosintetica • sintesi proteica • sviluppo riproduttivo • danno fotoossidativo funzionalita’ cloroplasto • modificazioni della parete • ciclo cellulare • struttura del DNA Modificazione dell’espressione genica c o r s formazione GenHORT Stress Danno Risposta cellulare Cambiamenti strutturali fisiologici intensità durata biochimici Stress c o r s formazione GenHORT Adattamento Nuova omeostasi EVITARE STRESS canali ionici canali permeabilità all’acqua Osmoliti osmoprotettivi PROTEZIONE aggiustamenti strutturali chaperonine RIPARO degradazione proteica distruzione tossine PROTEZIONE CONTRO ALTRI STRESS c o r s formazione GenHORT antiossidanti antipatogeni La risposta della pianta a stress idrico induce cambiamenti dell’espressione genica PEG Adattamento controllo c o r s formazione GenHORT PEG Shock Control cells shock PEG acclimated ABA Molte delle proteine indotte da shock idrico sono indotte anche da ABA c o r s formazione GenHORT Stress Percezione del Segnale Trasduzione del Segnale Risposta: espressione genica prodotti genici c o r s formazione GenHORT Proteine funzionali Regolatori Proteine del trasporto Biosintesi osmoliti Chaperoni molecolari Proteine LEA Proteinasi Enzimi detossificanti Fattori di trascrizione Calmoduline Protein Chinasi/fosfatasi Fosfolipasi Tolleranza allo stress Risposta allo stress Stress diversi inducono una risposta simile Strategie simili • • • • Percezione del segnale Trasduzione del segnale Risposta:espressione genica Nuova omeostasi cellulare Stessi meccanismi molecolari • • • • ABA, canali ionici Geni Lea e Cor chaperonine SOD, catalasi, etc c o r s formazione GenHORT Cambi metabolici simili • • • • • Modificazioni delle membrane Sintesi di ormoni Sintesi proteica Sintesi di osmoliti Variazione di pH Coinvolgimento di fattori identici • Ca2+,chinasi, fosfatasi • fattori di trascrizione Stress Risposta cellulare allo stress membrana sensore Osmosensori (AtHK1) Ca2+ MAP kinases Trasduzione del segnale Fosforilazione/ defosforilazione ABA Fattori di trascrizione Espressione genica c o r s formazione GenHORT CBF/DREB, MYB bZIP Funzioni chaperone (HSP, LEA) Detossificazione Osmoprotezione (proline, betaine) Messageri secondari Ca 2+ Risposte biochimiche/ cellulari Rispota fisiologica Movimento di acqua e ioni, (acquaporine trasportatori di ioni) Tolleranza allo STRESS? Fattori ambientali Variazioni [ABA] Percezione L’ ABA è un importante mediatore della risposta delle piante a stress idrico Ca++, cAMP?, IP? kinasi/fosfatasi Trasmissione del segnale Risposte Fattori di trascrizione Cambiamenti espressione genica Effetti Chiusura stomi Resistenza alla dessiccazione del seme c o r s formazione GenHORT Inibizione della germinazione Mutanti ABA deficient di pomodoro Incapaci di accumulare ABA in risposta a stress idrico Gli stomi restano aperti Traspirazione eccessiva Perdita 80% peso fresco in 4 h c o r s formazione GenHORT Fig. 1. Simplified scheme of the signalling systems responding to mild or severe stressors. Abbreviations: EEE, excess excitation energy; IP3, inositol-1,4,5-trisphosphate; PA, phosphatidic acid; PLD, phospholipase D (phospholipid signalling); PtdOH, phosphatidylalcohol; PUFA, polyunsaturated fatty acids; RLKs, receptor-like kinases; ROS, reactive oxygen species; RWC, relative water content; WAKs, wall-associated kinases. c o r s formazione GenHORT Espressione del fattore di trascrizione WRKY di orzo in risposta a disidratazione 0 30 90 180 min WRKY e’ indotto in foglie disidratate L’espressione di WRKY Non e’ indotta da ABA WRKY fa parte di un sistema di risposta a stress ABA - indipendente c o r s formazione GenHORT Stress Calmodulin expression in potato cells C 5’ 10’ 30’ 1h 2h 4h Increase in Ca++ levels Cold Ca++ activated calmodulin cascade CaM1 CaM5 28S 18S Heat Kinases phosphatases CaM1 CaM5 28S 18S drought acclimation shock CaM1 CaM5 28S 18S c o r s formazione GenHORT Identificazione in grano duro di geni regolatori della risposta a stress idrico Approccio sperimentale Selezione da una libreria arricchita In messaggi indotti da stress Approccio in silico Selezione di sequenze di regolatori noti in altre specie ( es. CBF) da banche dati di EST di grano Studio funzionale di 14 geni selezionati durante lo sviluppo della pianta in condizione di stress c o r s formazione GenHORT Influenza dello stadio di sviluppo sulla risposta alla siccita’ in grano duro 6H8: in leaves, in roots 3H9: CBF like, in leaves TF TF TF c o r s formazione GenHORT Problemi del “Breeding tradizionale”: •Complessità dei geni di tolleranza, •bassa variabilità genetica della resa in condizioni di stress, •mancanza di efficienti tecniche di selezione. ……possibili aiuti delle biotecnologie: Inserimento di pochi geni in maniera più mirata e più rapida c o r s formazione GenHORT MA CHE GENI STUDIARE? E DOVE CERCARLI? •Specie che normalmente si trovano in habitat estremi (craterostigma, “ice plant”, atriplex): studio dei meccanismi di adattamento messi in atto in queste specie, IMPORTANTE: meccanismi adattativi esistono sia in piante tolleranti che non tolleranti •Studio della risposta in piante non adattate e veder quanto la risposta sia collegata alla capacità della pianta di superare le condizioni di stress. Induzione e repressione dei geni •Uso dell’ingegneria genetica direttamente sui geni isolati da procarioti ed eucarioti inferiori la cui funzione è nota in questi sistemi nel conferire tolleranza o adattamento c o r s formazione GenHORT INGEGNERIA GENETICA •Definire il problema, •Isolare gene/i, •Manipolare il gene per una efficiente espressione nel tessuto/stadio biologico desiderato, •Sviluppare un sistema di trasformazione e rigenerazione di tessuti vegetali, •Selezionare i genotipi trasformati, •Valutare l’espressione del gene inserito, •Valutare l’effetto del gene inserito. c o r s formazione GenHORT Come isolare i nuovi geni? IERI: •Metodi biochimici •Screening differenziale •Ibridazione sottrattiva •DDRT-PCR •Northern analysis •cDNA-AFLP OGGI-DOMANI?: •Sequenziamento su larga scala di EST •DNA microarray •“Functional genomics: forward - reverse genetics” •NGS c o r s formazione GenHORT New tools Novel strategies Plant genome sequence (Arabidopsis) Mutants : stress related phenotype c o r s formazione GenHORT How plants get adapted to stress? 1. 2. 3. 4. 5. c o r s formazione GenHORT Osmotic adjustment Stress proteins Scavenge ROS Synthesis ABA Cross-adaptation 1 Osmotic adjustment ① Water deficit can be induced by many environmental conditions • Drought • Salinity • Cold temperature ② Osmotic adjustment is a biochemical mechanism that helps plants to acclimate ③ Osmotic adjustment is an active process of increasing the number of solute particles in the plant that resulting in a reduced osmotic and water potential and enables the plant to absorb water in drought and saline habitat. c o r s formazione GenHORT c o r s formazione GenHORT Osmotic adjustment continuation: ④ Compatible solutes • • • • • c o r s formazione GenHORT Highly soluble Low molecular weight Do not interfere with cellular metabolism Neutrally charged at physiological pH Mainly distributed in the cytosol, not vacuoles Most compatible osmolytes are AA, QACS or poly alcohols c o r s formazione GenHORT Osmotic adjustment continuation: ⑤ Some compatible solutes may serve other protective functions in addition to osmotic adjustment • • • c o r s formazione GenHORT Minimizing the perturbing impact of ions Protecting enzymes (pro, glycine betain) Scavenging ROS (pro, mannitol, sorbitol) 2 Stress proteins • HSPs(Heat shock proteins) • CRP(Cold regulated proteins) • LEAs(late embryogenensis abundant proteins) • Osmotin • Pathogenesis-related proteins c o r s formazione GenHORT 3 Scavenging ROS Reactive oxygen species (ROS) are chemically reactive molecules containing oxygen • Enzymes: 1) SOD(superocide dismutase) 2) CAT (Catalase) 3) POD (Ascorbic acid Peroxidase) • Anti-Oxidants: 1) 2) 3) 4) 5) c o r s formazione GenHORT carotene Vit E DMSO Vit C GSH 4 ABA-stress hormone • • • • Keep membrane stability Promote synthesis of osmolytes Reduce water loss Increase water conductivity c o r s formazione GenHORT Cross-adaptation • Cross-adaptation: exposure of an organism to a given adverse environment =>modifies its response to other adverse factors. – E.g. exposure of plants to various stresses such as chilling temperature, heat, drought, and conferred resistance to other stresses. c o r s formazione GenHORT Causes of cross-adaptation • ABA is induced under many stresses. • Stress induces many stress proteins, and stress protein functions in many stresses. • Osmolytes are induced by many stresses • Membrane change • ROS scavenging system is activated c o r s formazione GenHORT