Metagenomica applicata allo studio del microbioma delle piante

Le comunità microbiche svolgono un ruolo centrale nella salute e nella produttività delle piante. La loro composizione e le interazioni variano a seconda degli organi e dei compartimenti della pianta ospite, che rappresentano microhabitat specifici per il reclutamento di microrganismi in grado di promuovere la crescita delle piante. Lo sviluppo di metodi di high-throughput sequencing (HTS) ci ha permesso di prestare grande attenzione allo studio dei microhabitat vegetali, come la rizosfera e l'endosfera. Le tecniche di sequenziamento dell'amplicone 16S rRNA per l'identificazione delle comunità batteriche e della regione ITS per le comunità fungine sono le più utilizzate per recuperarne l'identificazione tassonomica; allo stesso modo, l'applicazione del sequenziamento metagenomico shotgun è la più importante per riconoscerne l'identificazione funzionale. Inoltre, l'evoluzione delle tecniche di sequenziamento per lo studio del microbioma vegetale è stata accompagnata dallo sviluppo di sofisticati strumenti bioinformatici volti a identificarne abbondanza, tassonomia, interazioni e funzioni. In questa tesi di dottorato, sono state studiate le comunità microbiche di piante di agrumi e olivo in diverse condizioni di stress biotico e abiotico. Inoltre, l'ambiente radicale delle piante di pomodoro è stato studiato anche lungo la catena di coltivazione di questa coltura, dal vivaio alla serra. Inoltre, è stato condotto uno studio per esaminare l'effetto di due diversi genotipi di pomodoro nella comunità del suolo e della rizosfera, al fine di evidenziare eventuali somiglianze o differenze tra i due. Le comunità microbiche analizzate in tutte gli esperimenti raccolti in questa tesi sono state identificate mediante tecnica di sequenziamento basato su ampliconi. Lo studio del microbioma rizosferico, endorisferico e xilematico di piante di arancio amaro colonizzate dal fungo patogeno Plenodomus tracheiphilus è stato inizialmente valutato attraverso l'applicazione del metodo di clustering delle OTU. L’analisi delle reti microbiche, basata sui risultati delle OTU, ha rivelato un elevato rewiring delle interazioni microbiche delle piante sottoposte a inoculazione del patogeno rispetto a quelle non inoculate. Inoltre, il metodo di clustering delle OTU è stato confrontato con quello delle ASV. L'applicazione di quest'ultimo metodo, compatibile con l'utilizzo dei database più aggiornati, ha prodotto una maggiore risoluzione tassonomica delle comunità batteriche e fungine nei compartimenti vegetali studiati e ha rivelato una più spiccata diversità nella composizione microbica tra i compartimenti. Un secondo studio sulle analisi delle comunità batteriche e fungine nel suolo di cinque limoneti siciliani, in cui è stata registrata la malattia del Mal secco, ha rivelato che i campioni associati alle comunità microbiche si sono raggruppati in base alle aziende agricole in cui questi campioni sono stati raccolti. Inoltre, un effetto nel raggruppamento dei campioni è stato esercitato anche dalla presenza di P. tracheiphilus, che è stato precedentemente rilevato mediante PCR in tempo reale. Nel terzo studio, la variazione della composizione microbica nell'ambiente radicale di due portinnesti di agrumi (Bitters e Carrizo) con diversa tolleranza allo stress idrico e salino è stata esaminata valutando le loro abbondanze differenziali e le interazioni nelle reti di co-occorrenza. L'analisi delle abbondanze differenziali ha rivelato un significativo arricchimento dei generi Pseudomonas e Burkholderia nella rizosfera delle piante sottoposte a stress salino. Questi generi, presenti nel microbioma core dell'ambiente radicale degli agrumi, includono diverse specie che sono state segnalate come benefiche per le piante in condizioni di stress. Inoltre, lo studio delle reti di co-occorrenza ha mostrato diverse interazioni batteriche tra i due genotipi analizzati, dove il genotipo Carrizo ha mostrato una maggiore presenza di associazioni batteriche rispetto ai campioni non trattati. Un ulteriore studio è stato condotto nell'analisi delle comunità microbiche endofitiche di due diverse cultivar di olivo, Zaituna e Giarraffa, rispettivamente resistenti e tolleranti alla malattia della rogna dell'olivo (OKD) causata dal batterio fitopatogeno Pseudomonas savastanoi pv. savastanoi. Utilizzando l'approccio di assignemt per l'identificazione delle comunità batteriche e fungine, nella cultivar Giarraffa è stato osservato un arricchimento di generi fungini come Alternaria e Neofusicoccum, di cui sono state precedentemente riportate potenziali funzioni antagonistiche contro Psv. Uno studio del microbioma delle piante nei compartimenti della rizosfera e dell'endosfera del pomodoro è stato valutato lungo la catena di coltivazione di questa coltura, dal vivaio alla serra. Le colture di pomodoro in suolo agricolo e in substrato di fibra di cocco (fuorisuolo) in serra sono partite dalle stesse piantine; tuttavia, il microbioma radicale differiva ampiamente nelle due condizioni di crescita, mostrando una dominanza dei generi batterici Pseudomonas e Bacillus, noti come agenti di biocontrollo, e dei funghi patogeni Fusarium e Verticillium nelle tesi in oggetto di studio. L'applicazione dell'analisi di rete alle comunità batteriche dell'ambiente radicale nel suolo e nelle piante senza suolo ha rivelato batteri specifici del microambiente del suolo agricolo come keystone taxa. Questi batteri sono riportati in letteratura per le loro attività come potenziali PGPR. Le comunità di archeobatteri e batteri del suolo e della rizosfera appartenenti alla coltivazione di due diversi genotipi di pomodoro in campo coltivato, sono state valutate attraverso un'analisi di sequenziamento basata sugli ampliconi e metagenomica shotgun. Confrontando i set di dati ottenuti, sono state riscontrate elevate somiglianze, in termini di composizione tassonomica e beta-diversità, tra i dataset. Inoltre, l'analisi funzionale dei metagenome-assembled genomes (MAGs) ha rivelato le potenziali attività benefiche di Acinetobacter calcoaceticus, Flavobacterium e Sphingobium, che sono risultati arricchiti nelle rizosfere dei genotipi di pomodoro. Nel complesso, le analisi eseguite con un approccio integrativo con diverse discipline come la biologia molecolare, l'ecologia e la bioinformatica, hanno rivelato un arricchimento di batteri o funghi coinvolti in diverse funzioni benefiche per le piante ospiti. Inoltre, lo studio delle reti di co-occorrenza ha rivelato in posizioni centrali diversi batteri caratteristici dei microambienti studiati, riportati come potenziali PGPB. Questi risultati possono essere configurati come una solida base per future indagini volte a esplorare più in dettaglio il potenziale benefico dei batteri e dei funghi come inoculanti, al fine di progettare un intervento innovativo in termini di sostenibilità ambientale.

Grantor dc:publisher

Università degli studi di Catania

Year dc:date

2024

Author dc:creator

• MOSCA, ALEXANDROS

Contributors dc:contributor

• RAPISARDA, Andrea

• Microbial communitie
• PGPR
• MAG
• Abiotic stre
• Biotic stre
• Network analysis
• Comunità microbiche
• PGPR, MAG
• Stress abiotici
• Stress biotici

Statement dc:rights

• info:eu-repo/semantics/openAccess
• license:NON PUBBLICO - Accesso privato/ristretto
• license uri:iris.PRI01

Language dc:language

ita

Handle dc:identifier

https://hdl.handle.net/20.500.11769/641452

OAI identifier oai:identifier

oai:www.iris.unict.it:20.500.11769/641452