IMPACT OF PHENYLPROPANOIDS ON HEAT STRESS PROTECTION

I metaboliti secondari sono composti organici non direttamente coinvolti nella crescita e nello sviluppo della pianta. Queste sostanze sono spesso prodotte e accumulate dopo stress biotici e abiotici, ma le loro precise funzioni in vivo sono ancora poco chiare. Le colture cellulari in vitro possono essere utilizzate al fine di chiarire il ruolo biologico di specifici metaboliti secondari dopo un particolare tipo di stress. In una precedente tesi di dottorato, uno stress termico di 1 ora a 44°C è stato applicato ad una linea cellulare di carota chiamata R3M, una linea pigmentata, in grado di accumulare derivati della cianidina e degli acidi idrossicinnamici, molecole appartenenti alla classe dei fenilpropanoidi. Il trattamento termico causava la comparsa di strutture circolari citoplasmatiche dopo 24 ore di recupero dallo stress, ed è stato dimostrato che le cellule mostranti queste strutture erano destinate ad una lenta morte cellulare, con caratteristiche tipiche di una morte cellulare programmata. Somministrando alle cellule R3M alcuni precursori molecolari (approccio chimico), quali gli acidi idrossicinnamici, prima del trattamento termico, si è osservata una riduzione del numero di cellule con strutture circolari citoplasmatiche e una riduzione del numero di cellule morte. Questo progetto ha come obiettivo la caratterizzazione dei danni morfologici causati dallo stress termico, al fine di chiarire il possibile ruolo biologico di specifici fenilpropanoidi accumulati nella coltura R3M. Inoltre, un tentativo per valutare la possibilità di sfruttare l'approccio chimico, ovvero di somministrare i precursori molecolari in pianta per osservare l’eventuale assorbimento e modificazione degli stessi in piante intere, è stato provato. La doppia colorazione con fluoresceina di acetato e ER tracker blue white delle cellule stressate al calore, ha permesso di investigare la natura di queste strutture circolari citoplasmatiche, rivelando che esse sono circondate dal reticolo endoplasmatico. Questa organizzazione è tipica degli autofagosomi, strutture coinvolte nel processo di macroautofagia e spesso indotte da uno stress. Ulteriori analisi di microscopia hanno mostrato come queste strutture circolari citoplasmatiche contengano anche gocce lipidiche e organelli, per esempio cromoplasti, supportando fortemente l'ipotesi che queste strutture circolari siano autofagosomi. La colorazione con il marcante di endocitosi “FM 1-43” ha permesso di osservare che, nelle cellule stressate, l'arresto dei movimenti endocellulari avveniva immediatamente dopo l’esposizione allo stress termico e che, anche dopo due ore di recupero, la ripresa dei movimenti vescicolari non avveniva. Questo risultato ha suggerito che il citoscheletro, o qualche componente implicato nel trasporto vescicolare, poteva essere stato danneggiato dal calore. Dato che il citoscheletro è formato da diverse strutture, due tossine, colchicina e citocalasina D, agenti contro i microtubuli e microfilamenti, sono state addizionate alla coltura cellulare di carota per provare a mimare i danni causati dallo stress termico. Solo la citocalasina D perfettamente fenocopiava, in una parte della popolazione cellulare, la morfologia stressata, suggerendo che uno dei target dello stress termico erano i microfilamenti, i quali, una volta danneggiati, determinavano, direttamente o indirettamente, la comparsa di putativi autofagosomi nelle cellule stressate. Poiché l'approccio di somministrazione degli acidi idrossicinnamici determinava l'aumento di specifiche antocianine e derivati di acidi idrossicinnamici, prevenendo parzialmente la comparsa di putativi autofagosomi nelle cellule stressate, è stato concluso che questi fenilpropanoidi agiscono contro lo stress termico, prevenendo la morte cellulare programmata, probabilmente mediante un effetto protettivo, non caratterizzato, sui microfilamenti. Rispetto a molte pubblicazioni scientifiche che suggeriscono il ruolo dei metaboliti secondari sulla base di una correlazione tra accumulo/diminuzione di gruppi/classi di metaboliti e uno specifico stress, questo lavoro dimostra chiaramente che alcune molecole specifiche, in particolare la cianidina acilata con acido caffeico e l’acido cumarico coniugato con l’acido quinico, hanno un ruolo biologico di protezione contro lo stress termico in questa linea cellulare carota, risultando in una diminuzione della morte cellulare. Infine, la somministrazione di precursori molecolari è stata condotta su piante intere, rivelando che le piantine di Arabidopsis thaliana sono in grado di assorbire precursori molecolari e convertirli in altri prodotti. Questo risultato dimostra che l’approccio chimico può essere eseguito non solo in colture cellulari in vitro, ma anche in piante intere, permettendo future indagini sui ruoli biologici dei metaboliti secondari.

Secondary metabolites are organic compounds not directly involved in growth and development. These substances are often produced by plants after biotic and abiotic stresses, but their precise in vivo functions are still unclear. In vitro cell culture can be used in order to clarify the role of certain secondary metabolites after stress. In a previous work, a heat stress (1 hour at 44°C) was applied to R3M carrot cell line, a purple pigmented line that is able to accumulate cyanidin derivatives and hydroxycinnamic acid derivatives, molecules belonging to the phenylpropanoid class. The heat treatment caused the appearance of cytoplasmic circular structures after 24 hours of recovery. It has been shown that cells developing these structures were committed to a slow cell death, which showed some morphological markers of a programmed cell death. Feeding R3M cells with hydroxycinnamic acids before the heat treatment caused a reduction of the number of cells with cytoplasm circular structures and a reduction of cell death. The aim of this project is the characterization of the morphological damages caused by heat stress in order to clarify the possible biological role of specific phenylpropanoids accumulated in R3M cells. Finally, an effort to evaluate the possibility to exploit the feeding chemical approach in in vitro whole plants has been pursuit. The double staining of the heat stressed cells with fluorescein di-acetate and ER tracker blue-white allowed at observing the appearance of cytoplasmic circular structures surrounded by endoplasmic reticulum. This organization is typical of autophagosomes, structures involved during the macroautophagy process, which are often stress induced. Further microscope investigations revealed that these circular structures included lipid droplets and also organelles, for instance chromoplasts, strongly supporting that these structures are autophagosomes. The staining of the heat stressed cells with the endocytosis tracker FM 1-43 allowed to observe the arrest of endocellular movements just after heat stress, suggesting that cytoskeleton could have been damaged by heat. Toxins towards microtubules and microfilaments were used in order to phenocopy the damages induced by the heat treatment, but only Cytochalasin D, an anti-microfilament agent, caused the formation of structures similar to the heat induced putative-autophagosomes. Since the feeding approach determined the increase of anthocyanins and hydroxycinnamic acid derivatives, thus partially preventing the putative autophagosome-containing cell phenotype after heat stress, it can be concluded that these phenylpropanoids prevent programmed cell death possibly through an uncharacterized protective effect on microfilaments. Respect to other public researches that show the correlations between groups or classes of molecules and stresses, this work clearly demonstrates that specific molecules, i.e. the cyanidin acylated with caffeic acid and coumaroyl quinic acid, have a protective role against heat stress in this carrot cell line. Finally, the administration of molecular precursors has been investigated on in vitro whole plants revealing that Arabidopsis thaliana seedlings are able to absorb molecular precursors and immediately convert them in other plant products. This finding demonstrates that the chemical approach can be performed also in whole plants, allowing future investigations on secondary metabolite biological roles.