Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/2067/2948
Title: Improving heavy metal stress tolerance in tomato by grafting
Other Titles: Miglioramento stress da metalli pesanti in pomodoro mediante innesto
Authors: Pradeep, Kumar
Keywords: Grafting;Heavy metals;Tomato;Cadmium;Nickel;Innesto;Metalli pesanti;Pomodoro;Cadmio;AGR/04
Issue Date: 7-Jul-2015
Publisher: Università degli studi della Tuscia - Viterbo
Series/Report no.: Tesi di dottorato di ricerca. 27. ciclo
Abstract: 
Among the heavy metals, Cadmium (Cd) and nickel (Ni) are the most hazardous metals
and their excess level in soil or irrigation water causes considerable damage to crop plants.
Grafting has become an effective and sustainable tool in providing plant tolerance to various
abiotic stresses, in particular of fruiting vegetables. In present research program, grafting
potential was explored in mitigating adverse effects of elevated level of Cd or Ni in tomato
(Solanum lycopersicum L.). The aim of this PhD dissertation was to improve tomato plants
tolerance to heavy metals stress, in particular of Cd and Ni by grafting onto appropriate
rootstock(s). In addition, the rootstock mediated plant tolerance mechanisms were studied at
cellular and molecular level. The role of candidate genes (LeNRAMP3 and LeFER) function in
Cd tolerance was also studied. Furthermore, in next step, the integrated response of grafting with
arbuscular mycorrhizal (AM; Rhizophagus irregularis) inoculation in further enhancement of Cd
tolerance was investigated.
Tomato plants whether non-grafted, self-grafted or grafted onto rootstocks of tomato
(Maxifort and Unifort) or eggplant (Black Beauty) were adversely affected by excess
concentration (i.e, 25 and 50 μM) of Cd or Ni in growing medium as evident by reduced plant
growth and fruit yield. However, plants grafted onto tomato rootstocks, especially onto Maxifort
shown better performance to mitigate adverse effects of heavy metals as shown by higher fruit yield and plant biomass, compared to others. We herein, demonstrate that the higher yield and
biomass production in tomato rootstocks grafted plants, especially onto Maxifort was due to
better ability of rootstock in particular of translocation of nutrient elements to shoot, higher leaf
pigments contents, SPAD index and photochemical efficiency of PSII. In addition, their better
ability to reduce oxidative stress, evident by lipid peroxidation and ion leakage, by induction of
antioxidants- enzymes (CAT, APX or GPX) and -non-enzymes like carotenoid, proline and
certain other metabolites. The over expression of LeNRAMP3 gene in leaves support Maxifort
grafted plants ability to Cd stress tolerance by providing higher availability of certain nutrient
elements under Cd stress. Moreover, Maxifort rootstock could also efficiently limit the
translocation of toxic metals, especially of Cd to the aerial plant parts (leaf + stem + fruit).
Moreover, the expected positive response of AM fungi in providing plant tolerance to Cd stress
especially under given moderate level of Cd stress (25μM), in later phase of study, could not be
observed. Finally, from these investigations it can be concluded that tomato grafting onto
appropriate rootstock such as Maxifort could alleviate Cd or Ni stress

Cadmio (Cd) e nickel (Ni) sono tra i metalli pesanti più pericolosi in natura ed elevati
livelli di questi metalli nel terreno o nelle acqua irrigue possono causare notevoli danni alle
colture e creare problemi di sicurezza alimentare a causa dell’accumulo dei metalli nella parte
edule. L'innesto è diventato uno strumento efficace e sostenibile in Solanaceae e Cucurbitaceae
per aumentare il grado di tolleranza delle piante a vari tipi di stress abiotici. L’attività di ricerca
ha avuto come obiettivo quello di valutare il contributo potenziale dell’innesto nel mitigare gli
effetti negativi di elevati livelli di Cd o Ni su pomodoro (Solanum lycopersicum L.). Lo scopo
della tesi di dottorato è stato quello di verificare la possibilità di migliorare la tolleranza in
pomodoro a metalli pesanti, in particolare di Cd e Ni, tramite l’innesto su appropriati
portainnesti. Inoltre, i meccanismi che mediano la tolleranza delle piante a tali stress sono stati
studiati a livello cellulare e molecolare. E’ stato inoltre studiata l’espressione genica di alcuni
geni (LeNRAMP3 e LeFER) in funzione della tolleranza al Cd. Successivamente è stata valutata
la possibilità di migliorare ulteriormente la tolleranza a stress da Cd attraverso l’integrazione
dell’innesto su portinnesto tollerante con l’inoculazione di micorrizza arbuscolare (AM;
Rhizophagus irregularis).
Piante di pomodoro non innestate, auto-innestate o innestate su portinnesti di pomodoro
(Maxifort e Unifort) o di melanzana (Black Beauty) sono stati influenzati negativamente dalla
eccessiva concentrazione di Cd o Ni (25 e 50 μM) nella soluzione, con evidente riduzione della
crescita delle piante e della resa dei frutti. Tuttavia, piante innestate su portinnesti di pomodoro,
in particolare su Maxifort hanno mostrato risultati migliori sulla mitigazione gli effetti negativi
dei metalli pesanti avendo questi una maggiore resa in frutti e biomassa della pianta, rispetto alle
piante innestate su altri portinnesti. La ricerca ha messo in evidenza che la più alta resa in frutti e
biomassa in piante innestate su portinnesti di pomodoro, soprattutto sul Maxifort, è dovuta in
particolare ad una migliore capacità dei portinnesti di traslocare gli elementi nutritivi verso gli
apici vegetativi, un maggiore contenuto di pigmenti nelle foglie, un migliore indice SPAD ed una
più alta efficienza fotochimica del PSII. E’ stata inoltre evidenziata una loro migliore capacità di
ridurre lo stress ossidativo tramite perossidazione lipidica e perdita di ioni per induzione di
enzimi antiossidanti (CAT, APX o GPX), carotenoidi, prolina e alcuni altri metaboliti. La
sovraespressione genica di LeNRAMP3 nelle foglie supporta la tesi che piante innestate su
Maxifort hanno maggiore tolleranza allo stress da Cd, garantendo alla pianta maggiore
Pradeep Kumar April 2015 PhD Thesis
IV disponibilità di alcuni elementi nutritivi. Inoltre, il portainnesto Maxifort limita in modo efficace
la traslocazione di metalli tossici, in particolare dei Cd verso le parti aeree della pianta (come
foglie, fusti e frutti). Nessun effetto positivo sulla tolleranza allo stress da Cd è stato riscontrato
con funghi AM.
Dai risultati emersi quindi si può concludere che l’innesto di pomodoro su portainnesti
appropriati come Maxifort può alleviare stress dovuti da metalli pesanti come Cd e Ni
Description: 
Dottorato di ricerca in Ortoflorofrutticoltura
URI: http://hdl.handle.net/2067/2948
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