Dechipering sulfur interaction with essential and non-essential elements in the rhizosphere

Abstract

Human world population is expected to increase to 10 billion by 2050 (UN 2015), and a key challenge is to provide food and feed in an equitable, healthy, and sustainable manner. Access to adequate and nutritious food is essential to human wellbeing, but to reach this objective global food production needs to increase by 70% by 2050. A healthy soil is the major factor for agriculture production, but soil resources are finite and non-renewable over the human time scale. Both natural forces and mostly anthropogenic activities (e.g., deforestation, drainage, tillage, ecc) led to soil degradation and consequently to limited access to high-quality soil for provisioning of essential ecosystem services. The scarcity of healthy soil to obtain the required food production will thus imply the exploitation of marginal agricultural land, characterized by depletion of organic matter and nutrients, elemental imbalance leading to deficiency or toxicity, salinization, water-air imbalance. Over the last 50 years, the combined outcome of significant reductions in S emission from industrial sources, use of mineral fertilizers without S, decreases in use of organic fertilizers, and changes in cropping systems including the use of high yielding commercial coupled with intensive management practices have led to a widespread S deficiency in soils at the global scale. Sulfur is not only essential for optimal plant growth, development and crop productivity, but also for its contribution to the mitigation of stressful conditions in plants and, more importantly, for its integration with other nutrient uptake and metabolic pathways. As a result, plant physiological responses to environmental stresses, such as nutrient deficiency or toxicity, could be modified and even hampered by S deficiency. These evidences highlight the importance to discuss the interactions S has with other elements (essential or not) in the rhizosphere. Depletion of nutrients, elemental toxicity and salinization represent common stress factors that plants commonly experience in their natural habitat and most important limiting factors for agricultural production. Therefore, in this thesis, S implications on physiological responses to soil Fe deficiency, Cu pollution and Na accumulation were studied.

Stime recenti indicano che la popolazione mondiale raggiungerà i 10 miliardi entro il 2050 (ONU 2015), di conseguenza la sfida per i prossimi anni sarà quella di soddisfare la crescente richiesta di cibo perseguendo un modello di agricoltura sostenibile. In particolare, per assicurare ad ogni singolo essere umano cibo sano e nutriente, la produzione alimentare globale dovrà aumentare del 70% entro il 2050. Il suolo è il fattore principale per la produzione agricola, ma la risorsa suolo è limitata e non rinnovabile nel tempo. Eventi naturali, ma prevalentemente attività antropiche (quali la deforestazione, la lisciviazione, le lavorazioni, ecc.) hanno fortemente compromesso la fertilità dei suoli, limitando la loro capacità di fornire servizi ecosistemici essenziali. La scarsità di nuove superfici coltivabili richiederà il ricorso, per aumentare la produzione agricola, a terreni agricoli marginali o abbandonati, affetti da una serie di problematiche, quali la riduzione del contenuto di elementi nutritivi, l’acidificazione, la salinizzazione, la riduzione dell'attività biologica e un notevole impoverimento del contenuto di sostanza organica. Negli ultimi 50 anni, la combinazione di diversi fattori, quali la riduzione delle emissioni industriali di SO2, l'uso di fertilizzanti minerali a basso contenuto di S, e pratiche di gestione intensive con scarso apporto di fertilizzanti organici e impiego di varietà ad alto rendimento, hanno determinato l’insorgenza di fenomeni di carenza di S che si è poi diffusa nei suoli su scala globale. Lo zolfo è un elemento essenziale non solo per la crescita e lo sviluppo delle piante e di conseguenza per la produttività delle colture, ma anche per il suo ruolo nella mitigazione di stress di natura biotica ed abiotica e, ancora più importante, per la sua interazione con le vie di assorbimento e di assimilazione di altri elementi, essenziali e non essenziali. Di conseguenza, le risposte fisiologiche delle piante agli stress ambientali, come la carenza di nutrienti o la tossicità di alcuni elementi, potrebbero essere modificate e persino ostacolate in condizioni di carenza di S. Queste evidenze sottolineano l'importanza di analizzare le interazioni che si verificano a livello rizosferico tra lo S e altri elementi (essenziali o meno). Le carenze nutrizionali, la presenza di elementi tossici e la salinità rappresentano fattori di stress comuni per le piante nel loro habitat naturale e i fattori più limitanti per la produzione agricola. Pertanto, in questa tesi, è stato analizzato il coinvolgimento dello S nelle risposte fisiologiche attivate dalle piante per rispondere alla carenza di Fe, alla presenza di Cu e di Na.