Isolamento di microrganismi utili dalla rizosfera di piante coltivate: un approccio sostenibile per alleviare lo stress idrico delle colture

The rhizosphere is the region of soil in close contact with plant roots, hosting a unique and dynamic microbial community that influences plant health and growth. The composition of the plant microbiota is influenced by various biotic and abiotic factors, including soil type, climatic conditions, presence of pathogens, and plant root exudate deposition, which can actively interact with the microbiota and modify its biodiversity. Studying plant-microorganism interactions in the rhizosphere is crucial for understanding the impact of the microbiota on plant health and for developing sustainable agronomic strategies to improve crop productivity and resilience.In response to growing concerns regarding the excessive use of chemical pesticides and fertilizers, there is increasing interest in understanding and harnessing the interactions between beneficial microorganisms, known as plant growth-promoting microorganisms (PGPM), and plants themselves. PGPM are components of the plant microbiota known to promote plant growth and development through a variety of direct and indirect mechanisms. Among their main roles are improving nutrient absorption, increasing tolerance to abiotic stresses, and protecting against harmful pathogens. It is now possible to formulate some of these beneficial microorganisms into commercial products for use in agriculture, such as biofertilizers, plant growth stimulants, and biopesticides.This thesis work is part of a broader project aimed at exploring the root microbiota of cultivated plants subjected to water stress and selecting useful components from it to alleviate water deficiency symptoms in plant species. The experimental plan involved the cultivation of rice (Vialone Nano variety) and tomato (Tarzan variety) plants in a mixture of three different natural soils characterized by a history of drought exposure. Twenty-four replicates were set up for both rice and tomato, monitored under control conditions, water stress, and recovery. Two components of the rhizosphere microbiota known for their potential to promote plant fitness, namely bacteria belonging to the genus Bacillus and arbuscular mycorrhizal fungi (AM), were particularly considered. Regarding bacteria, the culture-dependent approach allowed the isolation and characterization of 44 bacterial morphotypes, including 16 related to the Bacillus genus from both the rhizospheric soil and the endosphere, the inside of the root.From the perspective of fungal symbionts, mycorrhization analysis revealed good root colonization for both rice and tomato, indicating the presence of vital AM fungi in the starting substrate and demonstrating their ability to associate with roots even under the conditions imposed by the experimental setup. The active AM fungi present are currently undergoing isolation and characterization using the trap-culture technique.In conclusion, the presented work lays the groundwork for further characterization of the plant growth-promoting abilities of the isolated microbial species, with particular reference to their ability to alleviate water stress in cultivated plants.

La rizosfera è la regione del suolo in stretto contatto con le radici delle piante, ospita una comunità microbica unica e dinamica, che influisce sulla salute e sulla crescita delle piante stesse. La composizione del microbiota vegetale è influenzata da una serie di fattori biotici e abiotici, tra cui il tipo di suolo, le condizioni climatiche, la presenza di patogeni e la deposizione da parte della pianta di essudati radicali, che con la loro composizione diversificata possono interagire attivamente con il microbiota e modificarne la biodiversità.Lo studio delle interazioni pianta – microrganismi nella rizosfera è fondamentale per comprendere l’impatto del microbiota sulla salute delle piante e per sviluppare strategie agronomiche sostenibili per migliorare la produttività e la resistenza delle colture.In risposta alle crescenti preoccupazioni riguardanti l'uso eccessivo di pesticidi chimici e fertilizzanti, c'è un interesse crescente nel comprendere e sfruttare le interazioni tra i microrganismi benefici, noti come microrganismi promotori della crescita vegetale (PGPM)e le piante stesse. I PGPM sono componenti del microbiota vegetale noti per agire a favore della crescita e dello sviluppo delle piante attraverso una serie di meccanismi diretti e indiretti. Tra i loro ruoli principali vi sono il miglioramento dell'assorbimento dei nutrienti, l'aumento della tolleranza agli stress abiotici e la protezione contro patogeni dannosi.E’ oggi possibile formulare alcuni di questi microrganismi benefici in prodotti commerciali per l'impiego in agricoltura, come biofertilizzanti, fitostimolanti e biopesticidi.Il presente lavoro di tesi si inserisce in un più ampio progetto volto ad esplorare il microbiota radicale di piante coltivate soggette a stress idrico, e a selezionare da esso componenti utili per alleviare i sintomi da carenza di acqua nelle specie vegetali. Il piano sperimentale ha previsto la messa in coltura di piante di riso (varietà Vialone Nano) e pomodoro (varietà Tarzan) in un mix di tre suoli naturali diversi ma caratterizzati da una storia di esposizione alla siccità. Sono state allestite 24 repliche sia per il riso che per il pomodoro, monitorate in condizioni di controllo, stress idrico e recovery. Sono state considerate in particolare due componenti del microbiota della rizosfera e noti per il loro potenziale di promozione della fitness vegetale, ovvero i batteri appartenenti al genere Bacillus e i funghi micorrizici arbuscolari (AM). Per quanto riguarda i batteri, l’approccio coltura-dipendente ha permesso l’isolamento e la caratterizzazione di 44 morfotipi batterici, di cui 16 relativi al genere Bacillus sia dal suolo rizosferico che dal comparto dell’endosfera, ossia l’interno della radice.Dal punto di vista dei simbionti fungini, l’analisi della micorrizazione ha rivelato una buona colonizzazione delle radici sia per quanto riguarda riso che pomodoro, indicando la presenza di funghi AM vitali nel substrato di partenza, e testimoniando la loro abilità di associarsi alle radici anche nelle condizioni imposte dal set up sperimentale. I funghi AM presenti ed attivi sono attualmente in fase di isolamento e caratterizzazione mediante l’utilizzo della tecnica delle colture-trappola.In conclusione, il lavoro presentato pone le basi per l’ulteriore caratterizzazione delle abilità di promozione della crescita vegetale delle specie microbiche isolate, con particolare riferimento alla loro capacità di alleviare lo stress idrico.