Soil microbial communities in environmental-agronomical context: quantitative analysis, metagenomics and signal exchange monitoring

Il suolo rappresenta uno degli ambienti più misteriosi e ricchi di biodiversità sulla Terra, e, nella maggior parte dei casi, i microrganismi adattati a vivere in questo ambiente non sono coltivabili e non sono stati ancora caratterizzati. Questo lavoro di tesi ha lo scopo di analizzare la complessità dell’ecologia microbica del suolo da due punti di vista diversi: da una parte si vuole ottimizzare e utilizzare tecniche di biologia molecolare per esaminare la struttura e la funzione delle comunità microbiche di diversi suoli, e dall’altra parte lo scopo è quello di studiare le forme di comunicazione tra i batteri, e i segnali che essi scambiano tra loro (Quorum Sensing). Di recente, molti ricercatori si sono dedicati allo studio dei batteri e degli archaea coinvolti nel ciclo dell’azoto, poiché il disequilibrio in questo processo, causato principalmente dall’uso eccessivo di fertilizzanti azotati e da altre pratiche agricole, è una minaccia per la salute dell’uomo, oltre che per l’ambiente. Inoltre, anche lo studio delle comunità microbiche del suolo sta assumendo sempre più importanza, in particolare per quanto riguarda la loro risposta in presenza di stimoli esterni, e la loro capacità di organizzarsi grazie allo scambio di segnali specifici emessi nell’ambiente dagli stessi microrganismi. L’analisi dei geni funzionali per il ciclo dell’azoto mediante esperimenti di Real Time PCR quantitativa in suoli di diversa provenienza o trattati in modi diversi ha permesso di evidenziare differenze significative e di selezionare i geni amoA batterico e nosZ, rispettivamente per la nitrificazione e per la denitrificazione, come possibili indicatori della qualità del suolo e della produttività in agricoltura. Questo tipo di analisi ha anche permesso di osservare come ci sia, in tutti i suoli analizzati, una correlazione positiva e statisticamente significativa tra i geni batterici per la nitrificazione e per la denitrificazione. Questo risultato potrebbe indicare che questi due gruppi di microrganismi sono in qualche modo legati, e che probabilmente vivono nella stessa nicchia ecologica. In questo lavoro, mediante esperimenti di T-RFLP e grazie all’uso della tecnologia di Next generation sequencing 454 (Roche), è stato possibile analizzare la struttura della comunità microbica in suoli trattati con fertilizzanti di diverso tipo, a due tempi di campionamento. Inoltre, sono state ricercate le correlazioni tra i phyla presenti, in modo da avere una prima idea di come questi varino anche in relazione alla variazione dell’abbondanza di altri gruppi batterici. Grazie a questo esame sono state trovate molte correlazioni forti e significative, che indicano come alcuni gruppi batterici siano strettamente in relazione tra loro e si influenzino fortemente. Per quanto riguarda lo studio dei segnali scambiati tra batteri presenti in una stessa comunità, e quindi del Quorum Sensing e del Diffusion Sensing, sono stati analizzati i meccanismi fisici di diffusione delle molecole quorum AHL in ambienti circoscritti, ed in particolare sono state definite le conseguenze delle condizioni al contorno, sia nel caso di confini di natura riflettente che di natura assorbente. Queste proprietà sono risultate giocare un ruolo fondamentale nel determinare i profili di concentrazione della molecola segnale AHL.