Nella rizosfera del riso la sommersione con0nua seleziona popolazioni ba4eriche coinvolte nel ciclo dell'arsenico

Transcript

1 Nella rizosfera del riso la sommersione con0nua seleziona popolazioni ba4eriche coinvolte nel ciclo dell'arsenico Lucia Cavalca Arsenico nelle catene alimentari Roma, 4-5 giugno 2015 Istituto Superiore di Sanità

2 BACKGROUND Dall ambiente alla catena alimentare BIOACCUMULO 2/18

3 SICUREZZA ALIMENTARE: RISO E ARSENICO RISO: la fonte di arsenico prevalente nella dieta umana (EFSA, 2009) Concentrazioni Limite* di arsenico totale in riso: Adulti 200 µg/kg Baby food 100 µg/kg Arsenico inorganico totale nel riso italiano: 110 µg/kg (Meharg et al. 2009) *Codex Alimentarius Commission (FAO e WHO, 2014) 3/18

4 AGROECOSISTEMA Assorbimento di arsenico (mg/kg s.s.) in granella riso 0,02-0,8 grano 0,01-0,2 Bhattacharya, 2010 Crescita in condizioni di sommersione As(V) As(III) Solubilizzazione dell arsenico nella rizosfera 4/18

5 RIZOSFERA DI RISO Co-localizzazione di arsenico, ferro e batteri Properties of Bacterial Endophytes Rhizoplano: biofilm strettamente adeso alla radice Suolo rizosferico: suolo vicino alle radici Aerenchima Seyfferth, 2010 Fig. 3 Types of endophytes and their root colonization process Stochastic events and deterministic bacterial factors drive colonization of the endosphere, in which a series of events, including microcolony formation at the root surface, is thought to take place. Soil-inhabiting bacteria might become endophytic by chance, e.g. via colonization of natural wounds or following root invasion by nematodes. Such bacteria are considered passenger endophytes (red cells) and are often restricted to the root cortex tissue. Opportunistic endophytes (blue cells) show particular root colonization characteristics, e.g. a chemotactic response, which allows them to colonize the rhizoplane and then invade the internal plant tissues through cracks formed at the sites of lateral root emergence and root tips. However, as occurs with passenger endophytes, opportunistic endophytes are confined to particular plant tissues (e.g. the root cortex). Competent endophytes (yellow cells) are proposed to have all properties of opportunistic endophytes, and, in addition, be well adapted to the plant environment. They are capable of invading specific plant tissue, such as vascular tissue, spreading throughout the plant, and, by tinkering with plant metabolism, maintaining a harmonious balance with the plant host, even when they are present in high density. Placche di Ferro Arsenico The ecology of competent endophytes The diversity and relative abundance of bacteria in the endosphere is likely governed by stochastic events, which are in turn influenced by deterministic processes of colonization (Battin et al., 2007). Starting from the premise that endophytes commonly originate from the soil in which the host plant is growing, soil factors determine the colonization of plants by different bacteria and, thus, the community composition of bacterial endophytes. Considering the heterogeneity of soil at the microhabitat level and the heterogeneous distribution of plant roots in soil, the early steps in the colonization of plant roots by soil 5/18

6 IL RIZOBIOMA DEL RISO Ciclo dell'arsenico e del ferro 6/18

7 BATTERI e ARSENICO Metabolismo Generazione di energia Riduzione dissimilativa Arsenate respiratory reductase: ArrA ArsC Detossificazione ArsB ACR3 Riduzione As(V) reductase: ArsC Pompe di efflusso di As(III) Chemolitotrofia As(III) oxidase: AioA Metilazione As(V) reductase: ArsM 7/18

8 BATTERI e FERRO Mobilizzazione dell Arsenico Batteri FeII ossidanti Batteri FeIII riduttori Batteri FeIII e AsV riduttori Oremland and Stolz, /18

9 RIZOBIOMA DEL RISO Fa4ori microbici implica0 nella mobilizzazione dell Arsenico Rhizoplano Suolo rizosferico Estrazione di RNA Cosa fanno? Chi sono? ArsC AsIII AsV AioA Pyrosequenziamento del 16S rrna Real time q-pcr FeRB FeIII FeII FeOX 9/18

10 PIANO SPERIMENTALE* Contenuto di arsenico totale nel suolo utilizzato: 18,36 mg kg -1 Suolo non contaminato (< 40 mg kg -1, DGL 152/2006) 10/05 20/08 30/09 SOMMERSIONE CONTINUA ASCIUTTA A METÀ LEVATA BAGNATURE RACCOLTA SEMINA FASE VEGETATIVA FASE RIPRODUTTIVA MATURAZIONE *Marco Romani, Ente Risi, Castello d Agogna (PV) Varietà riso: Loto 10/18

11 SUOLO RIZOSFERICO: Pyrosequenziamento del 16S rrna BATTERI DEL CICLO DELL ARSENICO Bagnature Asciutta Sommersione Suolo BATTERI DEL CICLO DEL FERRO Fase riproduttiva 11/18

12 RIZOPLANO: Pyrosequenziamento del 16S rrna BATTERI DEL CICLO DELL ARSENICO Bagnature Sommersione Asciutta Suolo BATTERI DEL CICLO DEL FERRO Fase riproduttiva 12/18

13 SUOLO RIZOSFERICO: FUNZIONALITA GENICA DEL CICLO DELL ARSENICO Tukey's test (p 0.05) 13/18

14 RIZOPLANO: FUNZIONALITA GENICA DEL CICLO DELL ARSENICO I geni AioA per l ossidazione di AsIII ad AsV sono più abbondanti in condizioni di aerobiosi Tukey's test (p 0.05) 14/18

15 ARSENICO e FERRO NELLA SOLUZIONE CIRCOLANTE DEL SUOLO* In ambiente anaerobico l arsenico e il ferro vengono rilasciati *Gian Maria Beone, Università Cattolica di Piacenza *Maria Martin, Università di Torino 15/18

16 ARSENICO IN GRANELLA* Codex Alimentarius Commission (FAO, WHO) Adul0: 200 µg kg - 1 Baby food: 100 µg kg - 1 *Marco Romani, Ente Risi, Castello d Agogna (PV) 16/18

17 CONCLUSIONI Pianta In condizioni anaerobiche (sommersione continua o suolo rizosferico lontano dall aerenchima) DMMA Batteri FeIII e AsV riduttori Suolo rizosferico Rhizoplano Batteri FeII e AsIII ossidanti In condizioni aerobiche (bagnature o rizoplano sotto influenza aerenchima) 17/18

18 GRAZIE PER L ATTENZIONE Sarah Zecchin Anna Corsini Marco Romani Daniele Tenni Elisabe4a Barberis Maria Mar0n Gian Maria Beone Ilenia Ca4ani MIUR-PRIN 2010 "Salubrità degli agro-ecosistemi: processi chimici, biochimici e biologici che regolano la mobilità dell'arsenico nei comparti suolo-acqua-pianta 18/18