Bacterial Endophytes: Unexplored Sources Of Biotechnologically Relevant Molecules

Gli endofiti sono microrganismi che colonizzano i tessuti interni delle piante senza causare nessun danno. Generalmente, gli endofiti sono in grado di compiere funzioni come la promozione della crescita della pianta e la protezione contro patogeni. Il termine olobionte indica l’insieme costituito dalla pianta e dal suo microbiota, come se questi costituissero un unico grande organismo. Nelle ultime decadi, gli endofiti sono stati sempre più studiati, poiché è diventata sempre più evidente la loro capacità di influenzare la fisiologia della pianta e la produzione di molecole bioattive. Per esempio, è stato proposto che gli endofiti possono sintetizzare composti simili a quelli sintetizzati dalla pianta ospite e che possono modulare la produzione dei metaboliti secondari della pianta. In questo contesto, gli endofiti appaiono come strumenti di grande potenziale in campo biotecnologico. Per questi motivi, abbiamo deciso di analizzare batteri endofiti da piante diverse, allo scopo di capire meglio la struttura delle loro comunità e di esplorare le loro caratteristiche fenotipiche, prospettando così una possibile applicazione in campo biotecnologico. In questo lavoro, sono state analizzati batteri endofiti da piante medicinali, da semi di piante medicinali e da piante iperaccumulatrici di sostanze tossiche. Recentemente, comunità batteriche associate alle piante medicinali Echinacea purpurea and E. angustifolia sono state analizzate nel nostro laboratorio e hanno mostrato una struttura e composizione molto specifica nei vari tessuti delle piante (foglie/stelo, radici) e nella rizosfera. Successivamente, abbiamo deciso di studiare in modo più approfondito tali comunità, concentrandoci soprattutto nei fattori che potrebbero determinare la presenza di comunità così specifiche in diversi compartimenti delle piante. Le analisi effettuate hanno mostrato che le comunità batteriche stesse potrebbero prendere parte nella strutturazione delle proprie comunità, attraverso la produzione di molecule antimicrobiche, che determinano a loro volta la colonizzazione da parte di ceppi resistenti. Inoltre, alcuni ceppi batterici estratti da Echinacea purpurea e E. angustifolia sono stati ulteriormente analizzati dal punto di vista genetico, attraverso il sequenziamento dei loro genomi. Lo studio delle sequenze ha mostrato che i ceppi endofiti presentano diversi cluster genici presumibilmente coinvolti in attività antibiotica, confermando che tali ceppi potrebbero trovare un’applicazione in campo biotecnologico. Ceppi batterici endofiti sono stati analizzati anche all’interno di semi di E. purpurea. In questo caso, oltre ad osservare la presenza di endofiti all’interno dei semi, endofiti batterici sono stati estratti dai semi e caratterizzati dal punto di vista tassonomico e fenotipico. Recentemente, la nostra analisi degli endofiti si è estesa verso le piante iperaccumulatrici. Sono stati analizzati batteri endofiti in associazione alle piante di Phragmites australis, largamente utilizzate in impianti di fitodepurazione. Questa parte del lavoro è stata possibile grazie alla collaborazione con G.I.D.A. S.p.A, Gestione Impianti Depurazione Acque. La caratterizzazione di tali endofiti ha evidenziato la loro capacità di crescita in presenza di elementi, quali ferro, boro e selenio, che sono critici nel processo di depurazione delle acque. Queste evidenze rendono possibile ipotizzare l’applicazione di tali ceppi per un incremento dell’efficienza depurativa. In conclusione, le analisi effettuate in questo lavoro di tesi hanno permesso di appronfondire le nostre conoscenze riguardo batteri endofiti provenienti da diverse fonti. Questo lavoro rappresenta, inoltre, il punto d’inizio per un possibile utilizzo di tali batteri in campo biotecnologico, al fine di rispondere a precise richieste, quali la resistenza agli antibiotici e la necessità di diminuire l’inquinamento ambientale.

Endophytes are microorganisms which colonize the internal tissues of the plants without causing any harm. Generally, endophytes are described as presenting beneficial functions to the plant host, such as plant growth promoting activity and protection against pathogens. The interaction between endophytes and plants is so close, that the term holobiont has been proposed to define the plant and its microbiome, as if they formed a unique organism. In the last decades, endophytes have gained more attention since there is growing evidence of their capacity to influence the plant’s physiology and to produce bioactive compounds. For example, it has been suggested that endophytes could synthesize compounds similar to the ones produced by the plant host, and modulate the production of plants secondary metabolites. In this context, endophytes appear as a powerful tool. On one hand, the exploration of endophytes allows to deepen our knowledge on the plant-microbiome interaction; on the other hand, the better comprehension of the holobiont can lead to a biotechnological application of endophytes. Thus, we decided to explore bacterial endophytes from different plants, to better comprehend the structure of their communities, to explore their phenotypic features, prospecting a possible biotechnological application. In this work, we have analyzed bacterial endophytes from medicinal plants tissues and seeds, and hyperaccumulator plants. Bacterial communities associated to the medicinal plants Echinacea purpurea and E. angustifolia were already described in our laboratory and showed very specific communities in association to different tissues of the plants (stem/leaves, roots) and rhizosphere. Then, we decided to furtherly explore such communities, mainly focusing on the possible forces that could determine the presence of different communities in different districts of the plants. The performed analysis indicated that bacterial strains themselves could be implied in determining the structure of their own community by means of antimicrobial production, which in turn determine the colonization by adaptive phenotypes. Endophytes exhibiting intriguing phenotypes, such as the inhibition of human opportunistic pathogens, were furtherly analyzed, by determining their genome sequences. The analysis of such sequences showed that the endophytic strains harbor many gene cluster which might be implied in inhibitory activities, confirming that endophytic bacterial strains are a promising field to investigate. Endophytic bacterial strains were also analyzed within E. purpurea seeds. In this case, endophytes were observed within the plant’s seeds, extracted, taxonomically and phenotypically characterized. More recently, we decided to explore endophytes which live in association with Phragmites australis plants, which are largely used in phytodepuration constructed wetlands. This part of the work was possible thanks to the collaboration with G.I.D.A. S.p.A., Gestione Impianti Depurazione Acque. The characterization of such endophytes has shown that they are able to grow in presence of critical elements for wastewater treatment, suggesting their possible application to obtain an enhancement of phytodepuration efficiency. Overall, the analyses performed in this work increased our knowledge on bacterial endophytes from different sources, their communities structure, and interaction with the host. As a consequence, it represents the starting point to a possible biotechnological application of endophytes, in order to address issues, such as antibiotic resistance and environmental cleanup.