Vanillin production from ferulic acid with Pseudomonas fluorescens BF13-1p4

Bioconversion of ferulic acid to vanillin represents an attractive opportunity for replacing synthetic vanillin with a bio-based product, that can be label “natural”, according to current food regulations. Ferulic acid is an abundant phenolic compound in cereals processing by-products, such as wheat bran, where it is linked to the cell wall constituents. In this work, the possibility of producing vanillin from ferulic acid released enzymatically from wheat bran was investigated by using resting cells of Pseudomonas fluorescens strain BF13-1p4 carrying an insertional inactivation of vdh gene and ech and fcs BF13 genes on a low copy number plasmid. Process parameters were optimized both for the biomass production phase and the bioconversion phase using food-grade ferulic acid as substrate and the approach of changing one variable while fixing the others at a certain level followed by the response surface methodology (RSM). Under optimized conditions, vanillin up to 8.46 mM (1.4 g/L) was achieved, whereas highest productivity was 0.53 mmoles vanillin L-1 h-1). Cocktails of a number of commercial enzyme (amylases, xylanases, proteases, feruloyl esterases) combined with bran pre-treatment with steam explosion and instant controlled pressure drop technology were then tested for the release of ferulic acid from wheat bran. The highest ferulic acid release was limited to 15-20 % of the ferulic acid occurring in bran, depending on the treatment conditions. Ferulic acid 1 mM in enzymatic hydrolyzates could be bioconverted into vanillin with molar yield (55.1%) and selectivity (68%) comparable to those obtained with food-grade ferulic acid after purification from reducing sugars with a non polar adsorption resin. Further improvement of ferulic acid recovery from wheat bran is however required to make more attractive the production of natural vanillin from this by-product.

Risposte di resistenza a batteri fitopatogeni di importanti specie coltivate indotte da molecole segnale di diversa natura

A modern management of crop protection should be based on integrated control programmes, including the use of environmentally safe products. Antagonistic/beneficial bacteria and resistance inducers may have a great potential in the prophylaxis of diseases caused by common and quarantine pathogens. This work was carried out to confirm the ability of the known strain IPV-BO G19 (Pseudomonas fluorescens) against fire blight (Erwinia amylovora), as well as to evaluate their efficacy against southern bacterial wilt of tomato (Ralstonia solanacearum) and grapevine crown gall (Agrobacterium vitis). A virulent strain of R. solanacearum race 3 was inhibited by the antagonist on plate. When the pathogen was inoculated 48 h after their application to the root apparatus of tomato plants grown in a climatic chamber, bacterial wilt progression rate was clearly reduced. Moreover the defence response evoked by IPV-BO G19 was studied in tomato plants by monitoring the transcription of genes codifying for three PRs as PR-1a, PR-4, PR-5 and for an intracellular chitinase using multiplex RT-PCR and Real Time RT-PCR. In two field trials during 2005 and 2006, the strain IPV-BO G19 was compared with biofungicides and some abiotic elicitors to protect actively growing shoots of pear scions against fire blight. In both trials, IPV-BO G19 plus Na-alginate gave a high level of protection, three weeks after wound inoculation with E. amylovora. In pear leaf tissues treated with the antagonistic strain IPV-BO G19, catalase, superoxyde dismutase and peroxidise activity was evaluated as markers of induced resistance. The IPV-BO G19 strain was compared with other bioagents and resistance inducers to prevent grapevine crown gall under glasshouse and vineyard conditions.

Mezzi innovativi nella difesa delle cucurbitacee da Fusarium solani f.sp. cucurbitae

Lo studio “Lotta biologica a Fusarium solani f.sp. cucurbitae su zucchino” si colloca nell’ambito della difesa integrata delle colture orticole dalle fitopatie fungine, in particolare quelle causate da patogeni ad habitat terricolo nei confronti dei quali è sempre più frequente il ricorso a mezzi di lotta diversi dai prodotti chimici. Interessante e innovativa appare la prospettiva di utilizzare microrganismi adatti a svilupparsi nel suolo, competenti per la rizosfera delle piante e con spiccate caratteristiche d’antagonismo verso i patogeni tellurici e di stimolazione delle difese sistemiche della pianta. Il marciume del colletto delle cucurbitacee, causato da diversi patogeni tra cui Fusarium solani f.sp. cucurbitae, rappresenta la principale malattia fungina di tipo tellurica che colpisce lo zucchino ed il melone nella Pianura Padana e che può portare a consistenti perdite produttive. Indagini condotte dal 2004 da parte del Diproval nell’areale bolognese, hanno evidenziato un’elevata frequenza del patogeno su zucchino coltivato soprattutto in tunnel. Considerata la carenza di conoscenze locali di F. solani f.sp. cucurbitae e di mezzi chimici di lotta efficaci, la ricerca svolta ha inteso approfondire la diagnosi della malattia e le caratteristiche biologiche degli isolati locali, e valutare la possibilità di utilizzare metodi biologici di lotta contro questo patogeno, nonché di studiare alcune delle possibili modalità d’azione di microrganismi antagonisti. Sono state pertanto prelevate, da zone diverse del Bolognese, campioni di piante di zucchino che presentavano sintomi di marciume del colletto ed è stato isolato il patogeno, che in base alle caratteristiche morfologiche macro e microscopiche, alle prove di patogenicità su diversi ospiti e a saggi biomolecolari, è stato identificato come Fusarium solani f. sp. cucurbitae W.C. Snyder & H.N. Hansen razza 1. Dagli isolati di campo sono state realizzate un centinaio di colture monosporiche venti delle quali sono state utilizzate per la prosecuzione delle prove. I venti ceppi sono stati saggiati per la loro patogenicità inoculandoli in terriccio sterile e con trapianto di giovani piante di zucchino. E’ risultata un’elevata variabilità del livello di virulenza tra i ceppi, stimata da 39% a 83% riguardo la gravità della malattia e da 61 a 96% per la frequenza di malattia. Sono state condotte prove di accrescimento miceliare che hanno evidenziato differenze tra i ceppi e tra gli esperimenti condotti a tre diverse temperature (17, 23 e 28°C) alla luce ed al buio. La crescita maggiore complessivamente è stata ottenuta a 23°C. I venti ceppi hanno anche mostrato di produrre, in vitro, vari livelli di enzimi di patogenesi quali cellulasi, poligalatturonasi, pectin liasi e proteasi. E’ stata evidenziata unan correlazione significativa tra attività cellulasica e pectin liasica con frequenza e gravità della malattia dei venti ceppi del patogeno. Le prove relative al contenimento della malattia sono state condotte in cella climatica. Sono stati considerati prodotti commerciali (Remedier, Rootshield, Cedomon, Mycostop, Proradix, Clonotry) a base rispettivamente dei seguenti microrganismi: Trichoderma harzianum ICC012 + T. viride ICC080, T. harzianum T22, Pseudomonas chlororaphis MA342, Streptomyces griseoviridis K61, P. fluorescens proradix DSM13134 e T. harzianum + Clonostachys rosea). I prodotti sono stati somministrati sul seme, al terreno e su seme+terreno (esperimenti 1 e 2) e in vivaio, al trapianto e vivaio+trapianto (esperimenti 3 e 4), riproducendo situazioni di pratico impiego. L’inoculazione del patogeno (un ceppo ad elevata patogenicità, Fs7 ed uno a bassa patogenicità, Fs37) è stata effettuata nel terreno distribuendo uno sfarinato secco di semi di miglio e cereali colonizzati dal patogeno. La malattia è stata valutata come intensità e gravità. I prodotti sono stati impiegati in situazioni di particolare stress, avendo favorito particolarmente la crescita del patogeno. Complessivamente i risultati hanno evidenziato effetti di contenimento maggiore della malattia nel caso del ceppo Fs37, meno virulento. La malattia è stata ridotta quasi sempre da tutti i formulati e quello che l’ha ridotta maggiormente è stato Cedomon. Il contenimento della malattia somministrando i prodotti solo nel terreno di semina o di trapianto è stato in generale quello più basso. Il contenimento più elevato è stato ottenuto con la combinazione di due tipologie di trattamento, seme+terreno e vivaio+trapianto. Le differenze tra i prodotti sono risultate più evidenti nel caso del ceppo Fs7. Per quanto riguarda lo studio di alcune delle modalità d’azione dei microrganismi contenuti nei formulati più efficaci, è stato verificato che tutti sono stati in grado di inibire, se pur in vario modo, la crescita del patogeno in vitro. Gli antagonisti più efficaci sono stati S. griseoviridis K61 (Mycostop) e P. fluorescens proradix DSM13134). I ceppi di Trichoderma, ed in particolare T.harzianum T22 (Rootshield), sono risultati i più attivi colonizzatori del substrato. Riguardo il fenomeno dell’antibiosi, il batterio P. fluorescens proradix DSM13134 ha mostrato di produrre i metaboliti non volatili più efficaci nel ridurre lo sviluppo del patogeno. Nelle condizioni sperimentali adottate anche i due ceppi di T. viride ICC080 e T. harzianum ICC012 hanno dimostrato di produrre metaboliti efficaci. Tali risultati, anche se relativi a prove in vitro, possono contribuire alla comprensione dei meccanismi dei microrganismi sul contenimento dell’infezione relativamente al rapporto diretto sul patogeno. E’ stato inoltre verificato che tutti i microrganismi saggiati sono dotati di competenza rizosferica e solo i batteri di endofitismo. Si conclude che, nonostante l’elevata pressione infettiva del patogeno che ha certamente influito negativamente sull’efficacia dei microrganismi studiati, i microrganismi antagonisti possono avere un ruolo nel ridurre l’infezione di F. solani f.sp. cucurbitae razza 1.

Molecular and functional characterization of the chemotactic genes in the PCBs-degrader Pseudomonas pseudoalcaligenes KF707

Although bacteria represent the simplest form of life on Earth, they have a great impact on all living beings. For example the degrader bacterium Pseudomonas pseudoalcaligenes KF707 is used in bioremediation procedures for the recovery of polluted sites. Indeed, KF707 strain is know for its ability to degrade biphenyl and polychlorinated biphenyls - to which is chemotactically attracted - and to tolerate the oxydative stress due to toxic metal oxyanions such as tellurite and selenite. Moreover, in bioremediation processes, target compounds can be easily accessible to KF707 through biofilm formation. All these considerations suggest that KF707 is such a unique microorganism and this Thesis work has been focused on determining the molecular nature of some of the peculiar physiological traits of this strain. The genome project provided a large set of informations: putative genes involved in the degradation of aromatic and toxic compounds and associated to stress response were identified. Notably, multiple chemotactic operons and cheA genes were also found. Deleted mutants in the cheA genes were constructed and their role in motility, chemotaxis and biofilm formation were assessed and compared to those previously attributed to a cheA1 gene in a KF707 mutant constructed by a mini-Tn5 transposon insertion and which was impaired in motility and biofilm development. The results of this present Thesis work, taken together, were interpreted to suggest that in Pseudomonas pseudoalcaligenes KF707 strain, multiple factors are involved in these networks and they might play different roles depending on the environmental conditions. The ability of KF707 strain to produce signal molecules possibly involved in cell-to-cell communication, was also investigated: lack of a lux-like QS system - which is conversely widely present in Gram negative bacteria – keeps open the question about the actual molecular nature of KF707 quorum sensing mechanism.

Studi epidemiologici su Pseudomonas syringae pv.actinidiae agente causale del cancro batterico in actinidia

Il cancro batterico dell’actinidia causato da Pseudomonas syringae pv.actinidiae (Psa) suscita grande interesse a livello globale a partire dal 2008. La malattia è comparsa in Giappone e in due anni ha avuto una diffusione epidemica in tutte le aree di coltivazione mondiale di actinidia. Gravi perdite economiche hanno attirato l’attenzione internazionale su questa problematica e grandi sforzi sono stati rivolti allo studio di questo patosistema ancora poco conosciuto. E’ emerso infatti che il patogeno può rimanere in fase latente per lunghi periodi senza causare sintomi caratteristici nelle piante infette, e che dalla comparsa dei sintomi la pianta muore nell’arco di un paio d’anni. Il monitoraggio ed il controllo della situazione è perciò di fondamentale importanza ed è ancora più importante prevenire la comparsa di nuovi focolai di infezione. A questo proposito sarebbe opportuno l’impiego di materiale vegetale di propagazione non infetto, ma in molti casi questo diventa difficile, dal momento che il materiale impiegato è generalmente quello asintomatico, non analizzato precedentemente per la presenza del patogeno. Negli ultimi anni sono state perciò messe a punto molte tecniche molecolari per l’identificazione di Psa direttamente da materiale vegetale. L’obiettivo di questo lavoro è stato quello di studiare l’epidemiologia di Psa in piante adulte infette e di verificare l’efficacia di metodi di diagnosi precoce per prevenire la malattia. A tale scopo il lavoro sperimentale è stato suddiviso in diverse fasi: i) studio della localizzazione, traslocazione e sopravvivenza di Psa nelle piante, a seguito di inoculazione in piante adulte di actinidia di ceppi marcati Psa::gfp; ii) studio della capacità di Psa di essere mantenuto in germogli di actinidia attraverso sette generazioni di micropropagazione dopo l’inoculazione delle piante madri con lo stesso ceppo marcato Psa::gfp; iii) studio ed applicazioni di un nuovo metodo di diagnosi precoce di Psa basato sull’analisi molecolare del “pianto”.