ANTIMICROBIAL PEPTIDES FOR A SUSTAINABLE AGRICULTURE

Modern agriculture relies mainly on the use of chemical pesticides to protect crops from pathogens and pests. However, the extensive use of these compounds has led to the emergence of resistant strains, environmental pollution, and harm to non-target organisms. To address these issues, sustainable and eco-friendly alternatives to conventional pesticides are needed. Antimicrobial peptides (AMPs) offer a promising solution due to their high specificity, efficacy, and rapid degradation with low permanence in the environment. Some AMPs have already been commercialized as plant protection products. Genetically encoded peptide libraries (GEPLs) provide a powerful tool for discovering peptides with specific binding or inhibitory properties. While this technology has been primarily used in the development of human therapeutics, its potential for agricultural applications remains unexplored. In my PhD project, a GEPL was employed to identify cyclic peptides (CPs) able to counteract oomycete/ascomycete-induced diseases. Four target proteins from Phytophthora infestans, Zymoseptoria tritici and Pseudocercospora fijiensis were selected and screened against a GELP of cyclic peptides (CYCLIC). Several cyclic peptides (CPs) that exhibited antimicrobial activity against these pathogens were identified. Notably, Pi_LPMO_71 and Pi_LPMO_109, which bind to P. infestans LPMOs, showed significant efficacy in controlling late blight. Similarly, Zt_Ssk1p_42 and Zt_Ssk1p_49, which interact with the Z. tritici Ssk1p effector, also demonstrated antimicrobial activity. The identified CPs were evaluated in vitro and ex vivo assays. Pi_LPMO_109 was also tested in greenhouses trials where it has demonstrated a robust protection rate on tomato and grapevine plants. Combined with a favourable toxicological profile on off-target organisms, this pipeline demonstrates its potential for the development of novel and sustainable plant protection products. Pi_LPMO_109 shows potential for future improvements, as the implementation with adjuvants in the formulation or the production through biomanufacturing.

L'agricoltura moderna si basa principalmente sull'utilizzo di pesticidi chimici per proteggere le colture da patogeni e parassiti. Tuttavia, l'uso massiccio di questi composti ha portato all'insorgenza di ceppi resistenti, all'inquinamento ambientale e al danno agli organismi non bersaglio. Per affrontare questi problemi, c'è un crescente bisogno di alternative sostenibili ed ecologiche. I peptidi antimicrobici (AMP) offrono una soluzione promettente grazie alla loro elevata specificità, efficacia e rapida degradazione con bassa persistenza nell'ambiente. Alcuni AMP sono già stati commercializzati come prodotti per la protezione delle piante. Le librerie di peptidi codificati geneticamente (GEPL) forniscono uno strumento potente per scoprire peptidi con proprietà di legame o inibizione specifiche. Sebbene questa tecnologia sia stata principalmente utilizzata nello sviluppo di terapie umane, il suo potenziale per applicazioni agricole rimane inesplorato. Nel mio progetto di dottorato è stata utilizzata una GEPL per identificare peptidi ciclici (CP) in grado di contrastare le malattie indotte da oomiceti/ascomiceti. Sono state selezionate quattro proteine bersaglio di Phytophthora infestans, Zymoseptoria tritici e Pseudocercospora fijiensis e sono state testate contro una GEPL di peptidi ciclici (CYCLIC). Sono stati identificati diversi CP che hanno mostrato attività antimicrobica contro questi patogeni. In particolare, Pi_LPMO_71 e Pi_LPMO_109, che interagiscono con LPMO di P. infestans, hanno mostrato una significativa efficacia nel controllo peronospora di pomodoro/patata. Allo stesso modo, Zt_Ssk1p_42 e Zt_Ssk1p_49, che interagiscono con l'effettore Ssk1p di Z. tritici, hanno dimostrato attività antimicrobica. L’attività dei CP identificati è stata valutata in vitro ed ex vivo. Pi_LPMO_109 è stato anche testato in prove in serra dove ha dimostrato una buona protezione su piante di pomodoro e vite. I peptidi identificati mostrano anche un buon profilo tossicologico sugli organismi non bersaglio. Questa pipeline, quindi, dimostra il suo potenziale per lo sviluppo di prodotti nuovi e sostenibili per la protezione delle piante. Pi_LPMO_109 ha dimostrato un potenziale per futuri miglioramenti, come l’aggiunta di adiuvanti in fase di formulazione o la produzione attraverso la bio-manifattura.