RISPOSTE SISTEMICHE IN DUE GENOTIPI DI NOCCIOLO IN SEGUITO ALLA COLONIZZAZIONE DA PARTE DEL TARTUFO NERO TUBER MELANOSPORUM

It is well known that hazelnut, in addition to being an economically relevant fruit plant, is also a host plant for fungi belonging to the genus Tuber that, as symbiotic fungi, can offer nutritional advantages to the plant and also represent themselves a priced food product (truffles). However, how root colonization by ectomycorrhizal (ECM) fungi modifies the metabolic processes in the leaves of the host plant is not yet so understood. The main objective of this work is led by the growing interest in better understanding the impact of an ECM symbiosis on Corylus avellana metabolism at systemic, and in particular foliar level. We made use of transcriptomics technologies to evaluate the transcriptomic profiles in the leaves of two genotypes of C. avellana: wild type (propagated by seeds) and the ‘Tonda Gentile delle Langhe’ (TGL) (propagated by cuttings) genotypes. The transcriptomics profiles of the two genotypes colonized and not colonized with Tuber melanosporum have been evaluated through an RNA-seq experiment. Raw reads of three biological replicates were obtained for each condition (inoculated and non-inoculated) by Illumina single-end sequencing. Raw reads have been aligned to the C. avellana cultivar ‘Jefferson’ genome as reference and we proceeded with a differential expression analysis. We obtained two lists of Differentially Expressed Genes (DEGs): DEGs obtained from the comparison between inoculated wild type vs not inoculated wild type, and DEGs deriving from comparison between inoculated TGL vs not inoculated TGL. We characterized a set of common DEGs between the two conditions, searching for conserved and functional motifs. A GO enrichment analysis allowed us to have an overview of the main metabolic processes and signalling pathways involved in the symbiosis. As result, we noticed a significant expression repatterning of both hazelnut genotypes following the colonization. Enriched DEGs shared between the two inoculated genotypes are suggesting that T. melanosporum may be involved in the activation of genes acting in plant immunity, as well as in defence to biotic and abiotic stresses. Some DEGs are involved in plant growth and development, others have a role in the photosynthetic system in accordance with the biochemical data concerning the modulation of the carbohydrates quantities after the symbiosis occurs. We noticed also a differential expression of genes coding for key enzymes in the biosynthesis of secondary metabolites, such as flavonols, anthocyanidins, sesquiterpenes. This pool of core genes, that undergo differential regulation after the T. melanosporum colonization, are involved in physiological remodelling that the plant can benefit from in terms of tolerance to mainly abiotic stress and higher yields and production qualities. These data will provide novel and useful information not only to better understand the systemic response of the colonization with Tuber melanosporum on two different hazelnut genotypes but also for the development of hazelnut cultivation associated with truffle production.

È noto che il nocciolo, oltre ad essere una pianta da frutto economicamente importante, è anche un’ospite per funghi appartenenti al genere Tuber che, in quanto simbionti, possono offrire numerosi vantaggi nutrizionali oltre che rappresentare essi stessi un pregiato prodotto alimentare (tartufi). Ciononostante, non è ancora così chiaro come la colonizzazione a livello delle radici da parte dei funghi ectomicorrizici (ECM) possa influenzare i processi metabolici nelle foglie della pianta ospite. L'obiettivo principale di questo lavoro di tesi è guidato dal crescente interesse nel comprendere maggiormente quali siano gli effetti sistemici che avvengono in seguito alla simbiosi con T. melanosporum sul metabolismo di Corylus avellana. Abbiamo analizzato tramite un esperimento di RNA-seq i profili trascrittomici delle foglie di due genotipi di C. avellana: wild type (propagato per seme) e il genotipo "Tonda Gentile delle Langhe" (TGL) (propagato per talea). Per ciascuna condizione sono state ottenute reads di tre repliche biologiche tramite un sequenziamento Illumina single-end. Le reads sono state allineate al genoma di riferimento della cultivar "Jefferson" di C. avellana, in seguito abbiamo compiuto un’analisi dell'espressione differenziale ottenendo due liste di geni differenzialmente espressi (DEG): DEG ottenuti dal confronto tra wild type inoculato vs wild type non inoculato, e DEG derivanti dal confronto tra TGL inoculato vs TGL non inoculato. I DEG in comune tra le due condizioni sono stati caratterizzati, verificando per ognuno la presenza di motivi conservati e funzionali. Un'analisi di arricchimento del GO è stata necessaria per avere una panoramica dei principali processi metabolici e delle vie di segnalazione coinvolte nella simbiosi. In seguito alla colonizzazione si verifica un significativo rimodellamento dell’espressione in entrambi i genotipi di nocciolo, con un numero maggiore di DEG trovati nella TGL rispetto al wild type. I DEG in comune tra i due genotipi inoculati fanno ipotizzare che T. melanosporum possa essere coinvolto nell'attivazione di geni che agiscono nell'immunità della pianta, nonché nella difesa da stress biotici e abiotici. Alcuni DEG sono implicati nella fase di crescita e sviluppo della pianta, altri invece hanno un ruolo chiave nel sistema fotosintetico, in accordo con dati biochimici riguardanti la variazione nel contenuto di carboidrati durante la simbiosi. Infine si evidenzia un’espressione differenziale di diversi geni codificanti per enzimi che agiscono nelle vie biosintetiche di metaboliti secondari tra cui flavonoli, antocianidine e sesquiterpeni. Questi geni, che subiscono una regolazione differenziale dopo la simbiosi, sono quindi coinvolti in un ampio rimodellamento fisiologico di cui la pianta può beneficiare in termini di tolleranza a stress principalmente abiotici che si traduce in maggiori rese e qualità produttive. Questi dati forniranno nuove informazioni, non solo per comprendere meglio la risposta sistemica alla colonizzazione con Tuber melanosporum su due diversi genotipi di nocciolo, ma anche per lo sviluppo della coltivazione del nocciolo in associazione alla produzione di tartufi.