Effect of salt stress and glutamic acid exogenous application on lettuce (Lactuca sativa L. var. Longifolia)

Salinity is one of the most detrimental factors leading to severe losses in crops production, yield, and food quality. It causes lteration of several plants’ physiological processes, disrupting photosynthesis and respiration, impairing protein biosynthesis, phytohormones regulation, nutrient imbalance, and damaging cell organelles. Besides that, salt stress results in oxidative burst due to the overproduction and accumulation of reactive oxygen species (ROS). The application of products able to limit the stress-related damage, improve crop stress response, and promote plant growth under adverse environmental conditions may be an interesting strategy to assure crop production in salinity affected areas. In this work, the effect of exogenous applications of glutamic acid, as a compound involved in the chlorophyll and proline biosynthesis pathways, has been investigated in lettuce plants subjected to salt stress (100 mM). In particular, the effect of the treatment has been evaluated at different time points during the experiment in order to track changes of molecular, physiological, biochemical, and agronomic parameters. The chlorophyll content and chlorophyll a fluorescence have been measured in order to assess the impact of salinity on the leaf functionality, health status, and quality of lettuce. The nitrate, proline, and osmolytes accumulation have been determined since they are considered biochemical indicators of plants responses to stress. Moreover, the expression of some of the key genes involved in ROS scavenging has been analysed to determine the plant stress responses induced by salt exposure also at molecular level. The esults obtained showed a reduction of yield in stressed plants but no strong response to the high salinity was observed at physiological level. This might indicate a moderate tolerance of Romaine lettuce to salinity. At the molecular level, the expression of the genes involved in the antioxidant defence system decreased in plants subjected to high salinity, except for the superoxide dismutase (SOD) which increased 6 hours after the glutamic acid application. This might indicate a potential role of SOD to alleviate oxidative damage caused by salt exposition.

La salinità è uno degli stress ambientali più limitanti che può portare ad ingenti perdite in termini di produzione, resa e qualità dei prodotti alimentari. Lo stress salino altera diversi processi fisiologici, causando danni alla fotosintesi e alla respirazione, modificando i processi di sintesi delle proteine, la regolazione degli ormoni, causando uno sbilanciamento a livello nutrizionale e danneggiando gli organelli cellulari. Inoltre, lo stress salino causa il cosiddetto burst ossidativo caratterizzato da una sovrapproduzione e accumulo di specie reattive dell’ossigeno (ROS). L’applicazione di prodotti in grado di limitare i danni causati dallo stress, migliorare la risposta delle piante e promuoverne la crescita anche in condizioni non ottimali è una strategia interessante per assicurare la produzione anche nelle aree affette da alta salinità. In questo lavoro, è stato studiato l’effetto di applicazioni fogliari di acido glutammico, un composto coinvolto nella via biosintetica della clorofilla e della prolina, su piante di lattuga romana sottoposte a stress salino (100 mM). In particolare, l’effetto del trattamento è stato valutato campionando il materiale vegetale a diversi time points durante l’esperimento, in modo da monitorare i cambiamenti di alcuni parametri fisiologici, biochimici, agronomici e la risposta anche a livello molecolare di alcuni geni. In particolare, è stato misurato il contenuto di clorofilla e la fluorescenza della clorofilla a per valutare l’impatto dello stress sulla funzionalità dell’apparato fotosintetico, lo stato di salute delle foglie e come parametri qualitativi. È stato misurato l’accumulo di nitrati, prolina, e osmoliti considerati indicatori della risposta delle piante allo stress. In aggiunta, per valutare la risposta delle piante alla salinità a livello molecolare, è stata analizzata ’espressione di alcuni dei geni chiave coinvolti nella detossificazione dalle ROS. I risultati ottenuti hanno mostrato una riduzione della resa dovuta alla salinità mentre i risultati dei principali parametri fisiologici e qualitativi analizzati non hanno evidenziato una forte risposta allo stress. Questo potrebbe dimostrare una moderata tolleranza alla salinità delle piante di lattuga romana. Dal punto di vista dell’analisi dell’espressione dei geni che codificano per alcuni enzimi antiossidanti, è risultato un generale decremento in risposta alla salinità, fatta eccezione per la superossido dismutasi (SOD) che ha mostrato un aumento dopo sei ore dall’applicazione del trattamento con acido glutammico. Questo risultato potrebbe indicare un ruolo centrale di questo enzima nell'alleviare i danni dovuti allo stress salino.