Exploring the impact of abiotic stress on Brassica and tomato: morphophysiology and microbiome dynamics [Analisi dell'impatto dello stress abiotico su Brassica e pomodoro: morfofisiologia e dinamiche del microbioma]

Climate change and the increasing global demand for food necessitate the development of crop species that are both resilient to abiotic stresses and compatible with sustainable agricultural practices. In this thesis, two complementary approaches were investigated: the genetic basis of drought tolerance in Brassica species and the role of grafting and microbial amendments in shaping the rhizosphere microbiome and yield performance of tomato (Solanum lycopersicum L.). In the first part, transcriptomic analyses were performed on drought-sensitive Brassica oleracea L. var. botrytis × italica Sicilian landraces and drought-tolerant B. macrocarpa Guss populations subjected to optimal irrigation and water deficit conditions. Physiological measurements (for example, leaf area and SPAD index) confirmed differential responses between tolerant and sensitive genotypes. Comparative RNA-seq using both de novo and reference-based assemblies allowed the identification of key genes and pathways underlying drought stress response, including a transcription factor showing opposite expression trends between tolerant and sensitive genotypes, thus providing novel insights into the genetic determinants of drought resistance in Brassica crops. In the second part, tomato grafting with two commercial hybrid rootstocks combined with a microbial amendment was assessed under greenhouse conditions. Yield traits, root components, and rhizosphere microbiomes were analyzed through ITS and 16S rRNA amplicon sequencing. Results demonstrated that fungal community composition was primarily influenced by grafting combinations, whereas bacterial abundance responded more strongly to microbial treatment. Significant correlations between microbial taxa and plant morphometric traits highlighted the synergistic potential of grafting and microbial amendments in enhancing plant growth, mitigating soilborne stresses, and supporting sustainable horticultural production. Collectively, the findings from both case studies provide valuable strategies for advancing climate-resilient and eco-friendly crop production systems. The research presented in this thesis has been published in peer-reviewed journals focusing on tomato grafting, microbial consortia, and comparative transcriptomics of Brassica genotypes under drought stress.

I cambiamenti climatici e la crescente domanda globale di alimenti rendono necessaria la creazione di specie vegetali resilienti agli stress abiotici e compatibili con pratiche agricole sostenibili. In questa tesi sono stati investigati due approcci complementari: la base genetica della tolleranza alla siccità nelle specie di Brassica e il ruolo dell’innesto e degli ammendanti microbici nel modellare il microbioma rizosferico e le prestazioni produttive del pomodoro (Solanum lycopersicum L.). Nella prima parte, sono state condotte analisi trascrittomiche su popolazioni di Brassica oleracea L. var. botrytis × italica (landraces siciliane sensibili alla siccità) e B. macrocarpa Guss (tolleranti alla siccità), sottoposte a condizioni di irrigazione ottimale e di deficit idrico. Le misurazioni fisiologiche (ad esempio area fogliare e indice SPAD) hanno confermato le differenti risposte tra i genotipi tolleranti e sensibili. Le analisi RNA-seq comparative, condotte sia con approccio de novo che basato su genoma di riferimento, hanno permesso di identificare geni e vie metaboliche chiave coinvolti nella risposta allo stress idrico, tra cui un fattore di trascrizione con andamento opposto nei genotipi tolleranti e sensibili, fornendo così nuove informazioni sui determinanti genetici della resistenza alla siccità nelle colture di Brassica. Nella seconda parte, l’innesto del pomodoro con due portinnesti ibridi commerciali combinato con un ammendante microbico è stato valutato in condizioni di serra. I caratteri produttivi, le componenti radicali e i microbiomi rizosferici sono stati analizzati tramite sequenziamento degli ampliconi ITS e 16S rRNA. I risultati hanno mostrato che la composizione della comunità fungina era principalmente influenzata dalle combinazioni di innesto, mentre l’abbondanza batterica rispondeva più fortemente al trattamento microbico. Correlazioni significative tra taxa microbici e tratti morfometrici delle piante hanno evidenziato il potenziale sinergico di innesto e ammendanti microbici nel migliorare la crescita delle piante, mitigare gli stress di origine tellurica e promuovere una produzione orticola sostenibile. Complessivamente, i risultati di entrambi gli studi di caso forniscono strategie preziose per lo sviluppo di sistemi di produzione agricola resilienti ai cambiamenti climatici ed ecocompatibili. Le ricerche presentate in questa tesi sono state pubblicate su riviste scientifiche peer-reviewed riguardanti l’innesto del pomodoro, i consorzi microbici e la trascrittomica comparativa di genotipi di Brassica sotto stress da siccità.