The green deal challenge: exploiting biotic interactions from bacterial strains to communities

Uno dei principali fattori alla base della sostenibilità ambientale è la gestione efficace degli input di azoto (N), un elemento chiave per la produzione agricola. La crescita delle piante e la resa agricola sono il risultato di complesse interazioni tra la pianta, il suolo e le sue comunità microbiche. Un modo efficace per la gestione degli input di azoto, che ha come risultato lo sviluppo di pratiche agricole economicamente valide e rispettose dell'ambiente, è l'uso di azoto fissato biologicamente. I batteri simbionti azoto fissatori (rizobi) rappresentano una preziosa fonte di azoto fissato biologicamente, poiché forniscono alla pianta (legume) questo importante elemento direttamente a livello della radice. Il primo capitolo di questa tesi si concentra sull'argomento appena menzionato, la simbiosi tra piante leguminose e rizobi, spaziando dalle più recenti scoperte sui rizobi, volte a migliorare le pratiche agricole in terreni di difficile coltivazione, alla scelta del miglior partenariato. Sebbene siano specie-specifici, i rizobi in natura mostrano una variabilità piuttosto ampia nell'efficienza simbiotica con diverse varietà della stessa specie di pianta ospite, il che può limitare la loro applicazione come inoculanti per le colture. Mentre le basi molecolari della specie-specificità sono state ben definite, quelle che determinano la specificità tra la varietà vegetale e ceppi batterici appartenenti alla stessa specie sono sconosciute. In questo primo capitolo, vengono sezionate le evoluzioni della partnership simbiotica fra pianta e rizobio. Le specie modello Sinorhizobium meliloti (syn. Ensifer) e Medicago sativa (erba medica) sono diventate il nostro modello per studiare il riconoscimento ospite-simbionte durante la percezione reciproca iniziale. Accanto alle nuove scoperte sull'evoluzione della fissazione dell'azoto simbiotico, la revisione tassonomica del genere Sinorhizobium/Ensifer indica alcune linee guida per la delineazione del genere nelle Rhizobiaceae. Il secondo capitolo si concentra sullo studio del microbiota e della sua interazione con l'ambiente, analizzando le “firme” della vita microbica in natura. La microbiologia ambientale può essere definita come lo studio dei microrganismi, delle loro funzioni e interazioni in tutti gli habitat della Terra (e oltre). Gli articoli presentati in questo capitolo hanno lo scopo di esplorare tre diversi ambienti che condividono la caratteristica di essere “estremi”, non convenzionali, per i microbi aerobici, mesofili. Il terzo capitolo riporta un'indagine di biologia dei sistemi delle strategie di adattamento metabolico con uno studio sulla diauxia, che mostra le reti metaboliche di Pseudoalteromonas haloplanktis (un batterio marino eterotrofico) in complesse condizioni nutrizionali incontrate nell'ambiente.

One of the main factors behind agricultural sustainability is the effective management of nitrogen (N) inputs, a key element for crop production. Plant growth and agricultural yield is a result of complex interactions between the plant, soil and its microbial communities. An effective way for the management of N inputs resulting in farming practices that are economically viable and environmentally prudent is the use of biologically fixed nitrogen. Symbiotic nitrogen fixing bacteria (rhizobia) represent a promising source of biologically fixed nitrogen, since they provide N inputs directly into the plant (legume). The overarching aim of this thesis is the description, the deciphering and exploitation of the microbial contribution to environmental sustainability. The first chapter of this thesis focuses on the above-mentioned topic, the symbiosis between legumes and rhizobia, ranging from the most recent discoveries on rhizobia to improve agricultural practices in harsh soils to the choice of the best partnership. Although being species-specific, rhizobia in nature exhibit somewhat large variation in the symbiotic efficiency with different varieties of the same host plant species, which may limit their application to crop as inoculants. While the molecular basis for the species-specificity have been well defined, the molecular basis of the specificity between the variety plant and the bacterial strains belonging to the same species are unknown. In this chapter, the evolutions of the partnership along the genus and its pangenome is dissected and the model species for plant-rhizobium symbiosis, Sinorhizobium meliloti (syn. Ensifer) and Medicago sativa (alfalfa) became our model to investigate the host-symbiont recognition during the initial perception. Next to the novel findings on the evolution of symbiotic nitrogen fixation in the genus, taxonomic revision of the Sinorhizobium/Ensifer genus as well indicates some guidelines for genus delineation in Rhizobiaceae. The second chapter focuses on the study of the microbiota and its interaction with the environment, analysing the signatures of microbial life in nature. Environmental microbiology can be defined as the study of microbes, their functions, and interactions in all habitats on Earth (and beyond). The papers presented in this chapter are aimed at exploring three different environments sharing the feature of being “extreme”, that is non-conventional for aerobic, mesophilic microbes. The third chapter reports a systems-biology investigation of metabolic adaptation strategies with a study on the diauxie, showing the metabolic networks of Pseudoalteromonas haloplanktis (a heterotrophic marine bacterium) in complex nutritional conditions encountered in the environment.