The responses of poplar plants to mechanical bending stress

Mechanical stress is a common environmental perturbation that can considerably affect plant stability. In the course of evolution, plants evolved different mechanisms for coping with and mitigating the negative effects of this disadvantageous abiotic stress. Study the impact of this stress on the woody plant means to provide a scientific basis in the knowledge of the root biology and complex dynamics of the reaction wood formation, important in the context of plant productivity and utilization. In this thesis, a controlled simulation of mechanical stress was performed in Populus nigra roots by using a simple experimental system. After giving an outline of the molecular mechanisms that regulate the responses to long-term bending stress between the two sides of the poplar root (the convex and the concave side), this thesis lays emphasis on the roles of main plant hormones in the stress-induced reaction wood formation. Using the method based on liquid chromatography coupled to tandem mass spectrometry analysis (LC-MS/MS) auxins, abscisic acid and cytokinins profiling was obtained for different sectors and sides of the bent root and stem, subjected to different intensities of tension and compression forces. Data obtained were then compared in order to verify similarities and differences between root and stem response to bending. In order to better understand the role of hormones in the induction of cambial zone of poplar root subjected to bending, a method for isolation of cambial tissue was developed and the analysis of auxins, abscisic acid and cytokinins profile was carried out. Taking together, data of this thesis showed as poplar root responds to bending producing in the concave zone a compression wood, rich in lignin content, with features similar to the compression wood produced at stem level by gymnosperms. A high level of auxin and abscisic acid seems to accompany this development process, even in the early phases of the treatment.

Lo stress meccanico è un comune stress abiotico che può considerevolmente compromettere la stabilità delle piante. Nel corso dell’evoluzione, le piante hanno evoluto diversi meccanismi atti a contrastare e/o mitigare gli effetti negativi di questo disagevole stress ambientale. Studiare l’impatto di questo stress sulle piante legnose significa fornire delle basi scientifiche sulla conoscenza della biologia della radice e sulle complesse dinamiche della formazione del legno di reazione, importante nel contesto della produttività e dell’utilizzo delle piante stesse. In questa tesi, una simulazione controllata dello stress meccanico è stata eseguita su radici Populus nigra usando un semplice sistema sperimentale. Questa tesi offre un outline sui meccanismi molecolari che regolano le risposte a lungo termine al bending, evidenziando le differenze tra i due lati della radice di pioppo (lato concavo e lato convesso) ed indaga, in particolar modo, il ruolo dei principali fitormoni coinvolti nella formazione del legno di reazione indotto dalla condizione di stress. Usando un metodo basato sulla cromatografia liquida accoppiata alla spettroscopia di massa (LC-MS/MS), è stato ottenuto il profiling ormonale dell’auxina, dell’acido abscissico e delle citochinine per differenti settori e lati del fittone e del fusto di pioppo, sottoposti a differenti intensità delle forze di tensione e compressione. I dati ottenuti sono stati comparati per verificare le similitudini e le differenze della risposta al bending della radice e del fusto di pioppo. Inoltre, al fine di approfondire il ruolo degli ormoni nell’induzione della zona cambiale della radice di pioppo sottoposta a bending, un’analisi ormonale tessuto-specifica è stata eseguita dopo la messa a punto di un metodo per l’isolamento del tessuto cambiale. Complessivamente, i dati ottenuti in questa tesi mostrano che la radice di pioppo risponde al bending producendo nella zona concava un legno di compressione, ricco di lignina, con caratteristiche simili al legno di compressione prodotto a livello del fusto nelle gimnosperme. Un alto livello di auxina ed acido abscissico sembra accompagnare questo processo di sviluppo, sin dalle fasi precoci del trattamento.