Studio delle basi genetiche nell'interazione tra piante di riso e microorganismi

Cereal crops represent the main food source worldwide, with rice, wheat, and corn being among the most widely cultivated. With the increasing demand for food, the use of fertilizers and other agrochemicals, which is now steadily declining, can no longer support production increases due to well-known issues for the environment and human health. Therefore, more sustainable farming approaches are necessary, and biologically-based solutions are generating growing interest. The use of growth-promoting microorganisms could represent one of the solutions to address these challenges. A deeper understanding of the genetic basis of interactions with beneficial microorganisms is essential to align plant breeding efforts with sustainable management practices, thereby improving yield through the effective deployment of these interactions. This study aims to determine the genetic basis of the interaction between rice plants and symbiotic microorganisms, specifically focusing on the endophytic diazotrophic bacterium Kosakonia sacchari RCA25 . In this study, 200 rice (Oryza sativa L.) accessions were analysed to evaluate the level of colonization of each by K. sacchari RCA25. The infection rates were determined through serial dilutions and plating to count the CFUs (Colony-Forming Units). K. sacchari RCA25 colonises the roots of host plants. Therefore, a solution obtained from the roots extract was used for plating to evaluate the infection rate. RCA25 strain contains a plasmid for resistance to the antibiotic vancomycin, so a selective LB medium with this antibiotic was used to grow the bacterium. For each rice variety, three replicates and one negative control were performed. Data analyses were performed using TASSEL, to evaluate the genotypic data and perform some quality control steps, and Beagle software to impute missing data. After this first step, a total of 54058 SNPs markers were available. RStudio software was used to perform descriptive statistics and GWAS (Genome-Wide Association Study). The count of the CFUs indicated that the infection rates of K. sacchari RCA25 vary notably among different rice varieties. The inoculation results, combined with the genotypic data of the rice accessions, were used to perform a GWAS to identify genomic loci that significantly affect the symbiotic process. Data analysis through the GWAS led to promising preliminary results, although no robust peaks were found. It is important to consider that the interactions between the plant and microorganisms are most likely regulated through a network of complex processes, so it is expected that GWAS would not produce a few strong peaks. This study could provide valuable information, useful for better understanding the mechanisms underlying the interactions between plants and symbiotic microorganisms. The obtained results can be integrated with other analytical approaches to deepen the comprehension of the possible benefits of using symbiotic microorganisms in agriculture, as well as to drive the breeding efforts, to obtain new varieties with more effective or selective mechanisms of interactions with soil microorganisms.

Le colture di cereali rappresentano la principale fonte alimentare a livello globale, con riso, grano e mais tra le più ampiamente coltivate. Con l'aumento della domanda di cibo, l'uso di fertilizzanti e altri agrochimici, oggi in costante calo, non può ulteriormente supportare aumenti di produzione a causa dei noti problemi per l’ambiente e la salute umana. Pertanto, sono necessari approcci di coltivazione più sostenibili e le soluzioni di origine biologica stanno suscitando un interesse crescente. L'uso di microrganismi promotori della crescita potrebbe rappresentare una delle soluzioni per affrontare queste sfide. Una comprensione più profonda delle basi genetiche delle interazioni con i microrganismi benefici è essenziale per allineare gli sforzi di miglioramento genetico delle piante con pratiche di gestione sostenibile, migliorando così la resa attraverso l'uso efficace di queste interazioni. Questo studio ha l'obiettivo di determinare le basi genetiche dell'interazione tra le piante di riso e i microrganismi simbiotici, concentrandosi in particolare sul batterio endofitico diazotrofico Kosakonia sacchari RCA25. Sono stati analizzati 200 genotipi di riso (Oryza sativa L.), al fine di valutare il livello di colonizzazione di ciascuno da parte di K. sacchari RCA25. I tassi di infezione sono stati valutati mediante diluizioni seriali e piastramento per contare le CFUs (Colony-Forming Units, o unità formanti colonie). K. sacchari RCA25 colonizza l’apparato radicale delle piante ospiti. Pertanto, nella preparazione delle diluizioni per la valutazione dei livelli di infezione, è stata utilizzata una soluzione ottenuta dall'estratto delle radici. Il ceppo RCA25 contiene un plasmide per la resistenza all'antibiotico vancomicina, quindi è stato utilizzato un terreno LB reso selettivo tramite aggiunta di questo antibiotico, per la crescita di questo batterio. Per ciascuna varietà di riso sono state effettuate tre repliche e un controllo negativo. Le analisi dei dati sono state condotte utilizzando il software TASSEL, per valutare i dati genotipici e svolgere alcuni passaggi di controllo di qualità dei dati, e il software Beagle per l’imputazione dei dati genotipici mancanti. Dopo questi primi passaggi, si è ottenuto un totale di 54.058 marcatori SNPs per l’analisi di associazione. Il software RStudio è stato utilizzato per eseguire valutazioni statistiche descrittive e l’analisi bioinformatica. I risultati delle prove di inoculo hanno indicato che i tassi di infezione di K. sacchari RCA25 variano notevolmente tra I diversi genotipi di riso analizzati. Questi risultati, combinati con i dati genotipici delle accessioni di riso, sono stati utilizzati per condurre uno studio di associazione sull'intero genoma (GWAS - Genome-Wide Association Study), al fine di identificare loci che influenzano significativamente il processo simbiotico. L'analisi dei dati tramite GWAS ha portato a risultati preliminari promettenti, sebbene non siano stati trovati segnali di associazione robusti. È importante considerare che le interazioni tra pianta e microrganismi sono regolate da una rete di processi complessi, quindi è prevedibile che analisi di associazione non portino singoli segnali intensi di associazione. Questo studio potrebbe fornire informazioni preziose, utili per una migliore comprensione dei meccanismi alla base delle interazioni tra piante e microrganismi simbiotici. I risultati ottenuti possono essere integrati con altri approcci analitici per approfondire la comprensione dei possibili benefici dell'uso di microrganismi simbiotici in agricoltura, oltre a guidare gli sforzi di miglioramento genetico al fine di ottenere nuove varietà munite di meccanismi di interazione con i microrganismi del suolo più efficaci o selettivi.