La metagenomica al servizio dell agricoltura

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1 La metagenomica al servizio dell agricoltura Marco Bazzicalupo Department of Biology University of Florence, Firenze, Italy

2 L albero della vita è microbico RNA ribosomale

3 M. Stanca

4 Tutti i microrganismi del suolo interagiscono in modo sostanziale con il mondo vegetale

5 La microflora del suolo e quella endofitica sono essenziali alla vita del pianeta poiché i suoi processi controllano la fertilità del suolo e la resa delle colture, il metabolismo stesso della pianta inclusa la protezione dalle malattie delle piante, esplica i cicli biogeochimici, degrada i composti organici (inclusi gli inquinanti)

6 Non solo microrganismi del suolo, ma anche simbionti ed endofiti partecipano alla vita della pianta

7 La fissazione dell azoto operata dai batteri ha nutrito e ancora continua a nutrire il pianeta. L erba medica Noduli radicali azotofissatori

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9 le comunità microbiche L ecologia microbica degli ambienti agrari ha dimostrato che i microbi che interagiscono con le piante non sono singoli ceppi ma intere comunità. Dentro e fuori dalla pianta ci sono microrganismi in numero straordinariamente grande e in innumerevoli specie diverse. Tutti i membri delle comunità possono interagire con la pianta e tra di loro

10 L approccio classico allo studio degli ecosistemi microbici: -Caratterizzare la struttura della comunità microbica attraverso la identificazione ed enumerazione delle specie presenti nell ambiente: identificazione dei batteri coltivabili analisi del DNA totale estratto dall ambiente - Assegnare ruoli funzionali alle specie in ogni particolare ecosistema

11 Perché le comunità microbiche del suolo sono così difficili da studiare Il suolo è l ecosistema più diversificato sulla Terra, considerando le popolazioni microbiche indigene del suolo stesso. Si ritiene che un grammo di suolo contenga milioni di batteri, archea, virus e microrganismi eucarioti della quale solo una piccola percentuale può essere coltivata in laboratorio La prima stima del numero di differenti specie (in termini di genomi procarioti) presenti nel suolo fu fatta nel 1990 usando la tecnica della velocità di riassociazione del DNA estratto dal suolo: furono trovate da 5000 a differenti specie per grammo di suolo Un grammo di suolo forestale contiene in media 4 x 107 cellule procariote mentre un grammo di suolo coltivato o di prateria può contenere fino a 2 x 109 cellule procariote

12 Membri di due specie diverse possono interagire in molteplici modi Quando si considerano molte migliaia di specie diverse, come nel suolo, allora le possibili interazioni diventano infinite

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14 Come funziona la metagenomica Librerie NGS Sequenziamento HTP Analisi delle sequenze metagenomiche

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17 Costo del sequenziamento del DNA e impatto sulla genomica e sulla metagenomica

18 Macchine sequenziatrici estremamente potenti ma che producono sequenze molto corte.. richiedono un altrettanto potente potere analitico

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20 Reference genomes Un certo aiuto all assemblaggio può essere fornito dalla comparazione con i genomi esistenti. Allineare i contig metagenomici con i genomi sequenziati disponibili aumenta la possibilità di mettere insieme e mappare i conting stessi Altre informazioni possono venire dalla composizione in basi, frequenza di di- e tetranucleotidi Large scaffold

21 DuctApe The missing link between genomics and phenomics Also phenotypes can be combogenomics.github.com/ductape massively tested A tool for phenomics analysis is needed How to combine genomic and phenomic data?

22 DuctApe

23 Le interazioni tra pianta, microrganismi e ambiente sono estremamente complesse È chiaro che gli effetti, benefici o dannosi, di un microrganismo sulla pianta dipendono dall interazione con l ambiente e con gli altri organismi. Può anche accadere che un singolo organismo abbia un effetto evidente sulla pianta, ma nella grande maggioranza dei casi questo effetto sarà mediato da innumerevoli altri organismi i cui effetti non sono prevedibili in modo semplice. E necessario un salto concettuale: Considerare pianta/microrganismi/ambiente come un unico sistema

24 Un esempio di integrazione pianta microrganismi per ridurre gli inquinanti nell ambiente I microrganismi nell interazione tra piante: L allelopatia potrebbe essere mediata da molecole prodotte dalla pianta ma modificate dai microrganismi endofitici e rizosferici. Questo è stato dimostrato nel caso del riso.

25 A sua volta la pianta modifica il microbioma associato Piante infette Piante sane Modificazioni della comunità microbica tra piante sane e piante infettate

26 Oltre l agricoltura Applicazioni biotecnologiche della metagenomica Più geni = più prodotti

27 Non solo sequenze Possibili risultati dell analisi metagenomica I microrganismi nell interazione tra piante e uomo: Gli endofiti delle piante alimentari possono avere un effetto sulla salute dei consumatori: progetti per sfruttare il microbioma delle piante (lattuga) per veicolare probiotici nella dieta dei consumatori. Piante medicinali producono molecole di uso farmacologico grazie all attività metabolica dei batteri endofitici. Batteri endofitici e rizosferici quali potenziali produttori di antibiotici

28 La metagenomica ha dimostrato che pianta/microrganismi/suolo rappresentano un sistema integrato. La pianta del futuro è un oggetto complesso che deve essere studiato con metodologie sofisticate Il miglioramento delle piante deve riconoscere questa evidenza e procedere considerando pianta e microrganismi associati come un unica unità di selezione.