Plant-bacteria interactions: identification, characterization and localization of beneficial bacterial endophytes isolated from Vitis vinifera cv. Glera

Questo lavoro di tesi presenta e discute i risultati sperimentali ottenuti durante il corso di dottorato in Biologia Evoluzionistica presso la Scuola di Dottorato di Bioscienze e Biotecnologie dell’Università degli Studi di Padova. Questa ricerca, parte di un progetto più ampio denominato “EndoFlorVit” (FEARS-UE e Regione del Veneto), ha come scopo la caratterizzazione molecolare e lo studio delle proprierà di promozione della crescita vegetale e di bio-controllo di batteri endofiti isolati da piante di Vitis vinifera di cultivar Glera, coltivate nell’area di produzione del Prosecco di Conegliano-Valdobbiadene DOCG. Le comunità di microrganismi isolate sono state studiate utilizzando la tecnica ARDRA (Amplified Ribosomal DNA Restriction Analysis) e il sequenziamento di porzioni del 16S rDNA identificando che circa il 30% dei ceppi isolati appartengono al genere Bacillus, il quale risulta essere il più rappresentato nelle piante campionate. Altri generi a cui appartengono numerosi ceppi isolati sono Staphylococcus, Microbacterium, Paenibacillus, Curtobacterium, Stenotrophomonas, Variovorax, Micrococcus e Agrococcus. La composizione delle comunità endofite isolate da differenti piante non è uniforme: esse variano nei differenti vigneti e sono inoltre influenzate dalla stagionalità. Oltre alla descrizione dei ceppi isolati, in questo lavoro di tesi sono presentati e discussi i risultati dello studio delle proprietà di promozione della crescita vegetale dei ceppi isolati. Utilizzando saggi biochimici sono state investigate alcune delle principali attività benefiche che hanno un effetto di miglioramento della nutrizione vegetale. Mediante il test di degradazione della carbossimetil-cellulosa sono stati identificati 85 ceppi capaci di secernere enzimi degradanti la cellulosa: questa capacità può conferire ai ceppi che la esprimono un vantaggio nella colonizzazione dei tessuti vegetali facilitando loro il processo di penetrazione nei tessuti della pianta. Attraverso saggi biochimici qualitativi è stato possibile dimostrare che numerosi ceppi sono in grado di solubilizzare il fosfato insolubile (127 ceppi), produrre ammoniaca (142 ceppi) e secernere siderofori (155 ceppi). Inoltre, utilizzando il saggio di Salkowski, è stato dimostrato che 17 ceppi batterici producono l’ormone vegetale Acido 3-indolacetico (IAA). Per investigare l’effetto dei ceppi produttori di IAA sulla fisiologia e morfologia della pianta è stato utilizzata la pianta modello Arabidopsis thaliana DR5:GUS, una linea mutante esprimenti l’enzima β-glucuronidasi sotto controllo di un promotore indotto da IAA. Utilizzando questo sistema sperimentale è stato dimostrato che l’IAA prodotto dai batteri viene riconosciuto dalle piante di Arabidopsis e causa alterazioni alla morfologia e architettura radicale. È noto tuttavia che l’IAA non è l’unica molecola batterica che influenza la crescita vegetale e la morfologia vegetale. In tal senso, è stato valutato l’effetto di ciascun ceppo isolato sulla pianta Arabidopsis thaliana Col-0 wild tipe. Tre parametri morfologici della radice (lunghezza superficie e diametro) sono considerati e analizzati statisticamente mediante cluster analysis. Le piante quindi sono state raggruppate secondo gli effetti che i batteri hanno provocato sull’apparato radicale assegnando in questo modo a ciascun ceppo l’effetto corrispondente. In questo modo è stato dimostrato che alcuni ceppi hanno causato allungamento della radice, un effetto ascrivibile come promozione della crescita. Da questa caratterizzazione ed analisi su larga scala dei ceppi isolati sono stati selezionati due ceppi particolarmente promettenti per la promozione della crescita vegetale e per il biocontrollo: Pantoea agglomerans GL83 e Bacillus licheniformis GL174. Questi due ceppi sono stati trasformati geneticamente con un costrutto contenente il gene che esprime la proteina fluorescente GFP. Utilizzando tecniche di microscopia confocale è stato dimostrato che entrambi i ceppi fluorescenti sono in grado di ricolonizzare talee di vite Glera quando inoculate e che persistono all’interno dei tessuti del fusto dopo 20 e 30 giorni dopo l’inoculo. In questa tesi quindi sono presentate le evidenze sperimentali che questi due ceppi, Pantoea agglomerans GL83 e Bacillus licheniformis GL174, sono veri endofiti di vite Glera e risultano quindi interessanti per le loro proprietà benefiche. Dopo aver confermato che GL174 è endofita della vite Glera, il ceppo è stato investigato per evidenziarne alcune capacità utili per il biocontrollo dei patogeni. In questo lavoro di tesi sono presentati i risultati di saggi di antagonismo in vitro nei quali il ceppo in esame ha effetto di inibizione della crescita del micelio di alcuni funghi patogeni della vite (Phaeoacremonium aleophilum, Paeomoniella spp., Botryosphaeria spp., Botrytis cinerea) e di due patogeni più generalisti (Sclerotinia sclerotiorum e Phytophtora infestans). Lo studio del ceppo GL174 si è successivamente focalizzato sulla capacità del batterio di produrre i lipopeptidi ciclici, una classe di molecole con forte attività antimicrobica e surfattante. Per prima cosa, attraverso PCR e sequenziamento del DNA, è stata identificata la presenza nel genoma batterico degli operoni codificanti per alcune lipopepide sintetasi, gli enzimi deputati alla sintesi di queste molecole. La produzione di lipopeptidi è stata successivamente dimostrata utilizzando tecniche di spettrometria di massa; le quali hanno permesso di identificare le molecole prodotte e di ricostruirne la struttura chimica. La produzione di queste molecole e la capacità inibitoria di funghi patogeni rendono il ceppo GL174 un buon candidato come agente di biocontrollo nella coltivazione della vite e di altre specie economicamente rilevanti. L’ ecologia dei batteri endofiti è un tema che ancora non è stato del tutto investigato all’interno dello studio dell’interazione tra piante ed endofiti. Inoltre, le interazioni che avvengono a livello di rizosfera ed endosfera non sono ancora ben descritte ma evidenze sperimentali suggeriscono che esse siano un fattore importante nella definizione della composizione delle comunità endofite. Lo studio di come un inoculo batterico esogeno può modificare la composizione della comunità nativa di endofiti è essenziale per un uso consapevole di formulati commerciali a base di batteri endofiti. In questa tesi viene quindi presentato un lavoro preliminare che analizza l’ecologia di ceppi isolati da Glera, ceppi isolati da altre specie vegetali, e batteri commercializzati come biostimolanti. La colonizzazione di piante di pomodoro, pianta modello per lo studio delle specie orticole, da parte di questi ceppi microbici è stata dimostrata e quantificata per radici, fusto e foglie di piante coltivate per 3 e 5 settimane. Questo lavoro ha come scopo inoltre l’analisi delle comunità di endofiti di queste piante inoculate per confrontarne la composizione con piante non inoculate. Lo studio, che è ancora in corso, ha comportato l’estrazione del DNA totale della endosfera di porzioni di fusto; da questo DNA saranno amplificati i 16S rDNA dei batteri endofiti presenti e sequenziati con tecniche di NGS. In conclusione, i risultati presentati in questa tesi descrivono la composizione delle comunità di endofiti coltivabili isolate da piante di vite Glera della zona del Prosecco Conegliano-Valdobbiadene DOCG. L’isolamento di tali batteri ha fornito una larga collezione di ceppi batterici, le cui proprietà benefiche che promuovono la crescita vegetale e gli effetti dei batteri sulla morfologia radicale di Arabidopsis thaliana sono stati analizzati e presentati criticamente coinvolgendo più aspetti importanti nell’interazione pianta-endofiti. I risultati ottenuti in questo lavoro descrivono le proprietà di alcuni ceppi isolati da Glera che, quando confermato da prove sperimentali in campo, potranno essere utilizzati in sicurezza come agenti endofiti di biofertilizzazione e/o biocontrollo nella produzione dell’uva Glera e di altre specie vegetali economicamente importanti.