Il ruolo degli strigolattoni come molecole segnale nella rizosfera con potenziali applicazioni agro-biotecnologiche

Strigolattons (SL) are sesquiterpene lactones derived from carotenoids produced by plants to control different aspects of development; SLs are also released into the soil through radical exudates in that area of soil called the rhizosphere where they can have a positive function, stimulating beneficial microorganisms for the plant, or negative, favoring the germination of seeds of parasitic plants. The aim of this thesis was to investigate the role of SLs in the rhizosphere and some aspects of their biotechnological potential. In the rhizosphere, SL are able to stimulate the hyphal branching of arbuscolar mycorrhizal fungi (AM) which, by colonizing the roots of plants, provide numerous benefits to the plant host, Including improved mineral nutrition and increased tolerance to biotic and abiotic stress. SLs are able to increase the branching of AM fungi through a stimulation of mitochondrial activity, which ensures increased production of ATP, and through reprogramming of gene expression which may also involve the endobacteria present in AM fungi. The low amounts of SL produced by plants and their high instability in soil stimulated research and development of more stable and convenient synthesis analogues which were analyzed from the point of view of branching of AM fungi and possible phytotoxicity. Synthetic analogues, methyl phenlactonoates and Nijmegen-1, have been developed to induce the suicidal germination of the parasitic plant Striga which poses a major threat to cereal crops, especially on the African continent. A widely used synthetic analogue of SLs (GR24) has also been found useful in bio-systems containing microalgae, endophytic bacteria and fungi for the purification of waste water from antibiotics such as tetracycline, oxytetracycline and chlortetracycline. The SLs are therefore an important resource for the agro-biotechnological sector; to exploit their potential to the best it is necessary to deepen the knowledge of the mechanisms of action on the different biological systems.

Gli strigolattoni (SL) sono lattoni sesquiterpenici derivati da carotenoidi che vengono prodotti dalle piante per controllare diversi aspetti dello sviluppo; gli SL vengono anche rilasciati nel suolo attraverso gli essudati radicali in quella zona di terreno chiamata rizosfera dove possono avere una funzione positiva, stimolando microrganismi benefici per la pianta, o negativa, favorendo la germinazione dei semi di piante parassite. Lo scopo di questa tesi è stato di approfondire il ruolo degli SL nella rizosfera e alcuni aspetti delle loro potenzialità biotecnologiche. Nella rizosfera gli SL sono in grado di stimolare la ramificazione ifale dei funghi micorrizici arbuscolari (AM) che, colonizzando le radici delle piante, forniscono numerosi benefici all’ospite vegetale, tra cui una migliorata nutrizione minerale e maggiore tolleranza agli stress biotici ed abiotici. Gli SL sono in grado di aumentare la ramificazione dei funghi AM attraverso una stimolazione dell’attività mitocondriale, che garantisce una maggiore produzione di ATP, e attraverso una riprogrammazione dell’espressione genica che può coinvolgere anche gli endobatteri presenti nei funghi AM. Le basse quantità di SL prodotte dalle piante e la loro alta instabilità nel suolo hanno stimolato la ricerca e lo sviluppo di analoghi di sintesi più stabili e convenienti che sono stati analizzati dal punto di vista della ramificazione dei funghi AM e della eventuale fitotossicità. Alcuni analoghi di sintesi, metil fenolattonati e Nijmegen-1, sono stati sviluppati con lo scopo di indurre la germinazione suicida della pianta parassita Striga che rappresenta una grande minaccia per le coltivazioni di cereali soprattutto nel continente africano. Un analogo sintetico degli SL molto utilizzato (GR24) si è rivelato utile anche in bio-sistemi contenenti microalghe, batteri endofiti e funghi, per la depurazione delle acque di scarico dagli antibiotici, quali tetraciclina, oxitetraciclina e clortetraciclina. Gli SL risultano quindi essere una risorsa importante per il settore agro-biotecnologico; per sfruttarne al meglio le potenzialità risulta necessario approfondire la conoscenza dei meccanismi di azione sui diversi sistemi biologici.