Changes in plant metabolism induced by dioxygenase inhibitors and their effect on the epiphytic microbial community and fire blight (Erwinia amylovora) control

Fire blight, caused by the gram negative bacterium Erwinia amylovora, is one of the most destructive bacterial diseases of Pomaceous plants. Therefore, the development of reliable methods to control this disease is desperately needed. This research investigated the possibility to interfere, by altering plant metabolism, on the interactions occurring between Erwinia amylovora, the host plant and the epiphytic microbial community in order to obtain a more effective control of fire blight. Prohexadione-calcium and trinexapac-ethyl, two dioxygenase inhibitors, were chosen as a chemical tool to influence plant metabolism. These compounds inhibit the 2-oxoglutarate-dependent dioxygenases and, therefore, they greatly influence plant metabolism. Moreover, dioxygenase inhibitors were found to enhance plant resistance to a wide range of pathogens. In particular, dioxygenase inhibitors application seems a promising method to control fire blight. From cited literature, it is assumed that these compounds increase plant defence mainly by a transient alteration of flavonoids metabolism. We tried to demonstrate, that the reduction of susceptibility to disease could be partially due to an indirect influence on the microbial community established on plant surface. The possibility to influence the interactions occurring in the epiphytic microbial community is particularly interesting, in fact, the relationships among different bacterial populations on plant surface is a key factor for a more effective biological control of plant diseases. Furthermore, we evaluated the possibility to combine the application of dioxygenase inhibitors with biological control in order to develop an integrate strategy for control of fire blight. The first step for this study was the isolation of a pathogenic strain of E. amylovora. In addition, we isolated different epiphytic bacteria, which respond to general requirements for biological control agents. Successively, the effect of dioxygenase inhibitors treatment on microbial community was investigated on different plant organs (stigmas, nectaries and leaves). An increase in epiphytic microbial population was found. Further experiments were performed with aim to explain this effect. In particular, changes in sugar content of nectar were observed. These changes, decreasing the osmotic potential of nectar, might allow a more consistent growth of epiphytic bacteria on blossoms. On leaves were found similar differences as well. As far as the interactions between E. amylovora and host plant, they were deeply investigated by advanced microscopical analysis. The influence of dioxygenase inhibitors and SAR inducers application on the infection process and migration of pathogen inside different plant tissues was studied. These microscopical techniques, combined with the use of gpf-labelled E. amylovora, allowed the development of a bioassay method for resistance inducers efficacy screening. The final part of the work demonstrated that the reduction of disease susceptibility observed in plants treated with prohexadione-calcium is mainly due to the accumulation of a novel phytoalexins: luteoforol. This 3-deoxyflavonoid was proven to have a strong antimicrobial activity.

Nuovi meccanismi di regolazione dell'autoimmunità nella piastrinopenia immune

La Piastinopenia Immune (PTI) è una patologia autoimmune ad eziologia ignota caratterizzata da piastrinopenia. I linfociti T regolatori (Tregs) sono coinvolti nei meccanismi di tolleranza immunologica e agiscono regolando l’attività delle cellule T autoreattive e delle cellule dendritiche (DCs). Viceversa, le DCs, che esprimono Indoleamine 2,3-dioxygenase (IDO), partecipano al mantenimento della tolleranza agli auto-antigeni attraverso l’espansione dei Tregs. Inoltre, recenti studi hanno dimostrato che i linfociti T helper 17 (Th17) sono coinvolti nell’autoimmunità e che l’espressione di Interleuchina (IL)-17 è associata a numerose patologie autoimmuni. Il ruolo dell’interazione fra DCs e Tregs ed il ruolo dei Th17 nella patogenesi della PTI non sono mai stati studiati in maniera approfondita. Gli obiettivi principali di questa tesi sono stati: a) caratterizzare fenotipicamente e funzionalmente i linfociti Tregs e DCs; b) valutare il ruolo patogenetico dell’interazione tra Tregs e DCs; c) quantificare i Th17 circolanti. I risultati dimostrano che: 1) il numero dei Tregs circolanti dei pazienti, identificati tramite i marcatori Foxp3 e CD127, è significativamente ridotto rispetto alla controparte normale; 2) la conversione in vitro delle cellule CD4+CD25- in linfociti Tregs (CD4+CD25+Foxp3+) dopo stimolazione con DCs mature è significativamente ridotta nei pazienti rispetto ai controlli; 3) sia l’espressione dell’enzima IDO nelle DCs mature (mRNA) che i livelli di chinurenine prodotte (indice di attività enzimatica) sono risultati significativamente ridotti nei pazienti rispetto alla controparte normale. Questi risultati suggeriscono quindi che il ridotto numero dei Tregs circolanti nei pazienti con PTI può essere, almeno in parte, attribuito alla scarsa capacità di conversione delle DCs, in quanto tali cellule esprimono meno IDO. I risultati dimostrano inoltre che: 1) i Tregs dei pazienti con PTI hanno una capacità soppressoria che è significativamente inferiore rispetto ai soggetti normali; tale dato è stato confermato dal dosaggio di IFN- nel surnatante della coltura; 2) i Tregs di pazienti con PTI non sono in grado di inibire la maturazione delle DCs, a differenza di quanto avviene nei soggetti sani: infatti, l’espressione delle molecole costimolatorie CD80 e CD86 sulle DCs è risultata invariata in seguito a cocoltura con DCs immature; 3) il dosaggio delle citochine nel surnatante delle cocolture dimostra che la concentrazione di IL-10 e IL-6 è significativamente ridotta nei pazienti rispetto ai controlli. La scarsa abilità dei Tregs di inibire la maturazione delle DCs e l’alterato pattern di secrezione di citochine potrebbero quindi contribuire all’ insorgenza del fenotipo più maturo delle DCs nei pazienti con PTI. I linfociti Th17 circolanti di pazienti e controlli sono stati identificati in citofluorimetria come cellule CD4+CD161+CD196+. Da tale analisi è emerso che la frequenza dei Th17 circolanti non è significativamente diversa nei due gruppi. Questi dati dimostrano quindi che nella PTI l’interazione bidirezionale tra Tregs e DCs risulta alterata e svolge un ruolo patogenetico, in quanto, da un lato, ci sono Tregs con un deficit numerico e funzionale e, dall’altro, DCs con maggiore capacità immunogenica. Il numero dei Th17 non risulta invece alterato.

Oxylipins biosynthesis in Lactobacillus helveticus in the presence of oxidative stress

This PhD thesis is aimed at studying the possible pathways and the mechanisms that can trigger oxylipins biosynthesis, and particularly that of short chain aldehydes and alcohols, in Lactobacillus helveticus, also in the presence of oxidative stress, using a totally labelled linoleic acid as precursor. In plants and fungi these molecules, involved in defence mechanisms against pathogens and in communication systems, derive from the oxidation of cellular unsaturated fatty acids (UFAs) and their accumulation is associated with stress exposure. Since some oxylipins are produced also by lactobacilli, it is possible to hypothesize that a metabolic pathway from UFAs to oxylipins, similar to what happens in plants and fungi, is present also in lactic acid bacteria. The results obtained pointed out that some volatile molecules are the result of UFAs catabolism, since they appear only when cells are incubated in their presence. Labelled linoleic acid is integrated in the membrane and subsequently transformed into aldehydes and alcohols, whose extent and carbon atoms number depend on stress exposure. The enzymes responsible for this metabolic pathway in plants and fungi (e.g. lipoxygenase, dioxygenase) seem to be absent in Lactobacillus helveticus and in other lactobacilli. Proteomic analyses show the over expression of many proteins, including thioredoxin reductase (part of the bacterial oxidative defence system), mainly in cells grown with linoleic acid without oxidative stress exposure, confirming that linoleic acid itself induces oxidative stress. 6 general oxidoreductases (class including dioxygenases and peroxidase) were found and therefore a deeper investigation on them could be productive in elucidating all steps involved in oxylipins biosynthesis in bacteria. Due to the multiple role of oxylipins (flavouring agents, antimicrobial compounds and interspecific signalling molecules) the identification of genes involved and regulating factors should have an important biotechnological impact, also allowing the overproduction of selected bioactive molecules.

Espressione dell'Enzima ad Azione Immunoregolatoria Indoleamina 2,3-Diossigenasi nella Leucemia Mieloide Acuta dell'Adulto: correlazioni Clinico-Biologiche

L’enzima IDO interviene nella via di degradazione del triptofano, essenziale per la vita cellulare; l’iperespressione di IDO favorisce la creazione di un microambiente immunotollerante. Nelle LAM IDO è funzionalmente attivo nelle cellule blastiche e determina l’acquisizione di un fenotipo regolatorio da parte delle cellule T alloreattive; l’espressione della proteina aumenta in modo consensuale con l’evoluzione clinica della patologia. Scopo della Tesi è indagare l’esistenza di una correlazione tra l’iperespressione di IDO da parte delle cellule leucemiche, le caratteristiche di rischio alla diagnosi e l’outcome dei pazienti. Sono stati esaminati 45 pazienti adulti affetti da LAM afferiti all’Istituto di Ematologia di Bologna. I pazienti sono stati stratificati a seconda di: età di insorgenza della leucemia, secondarietà a Mielodisplasia o radio chemioterapia, iperleucocitosi, citogenetica, biologia molecolare (sono state valutate le alterazioni a carico dei geni FLT3 ed NPM). I pazienti sono stati analizzati per l’espressione del gene IDO mediante RT-PCR, seguita da Western Blot, allo scopo di stabilire la presenza di una proteina attiva; successivamente si è proceduto a verificare l’esistenza di una correlazione tra l’espressione di IDO e le caratteristiche di rischio alla diagnosi per identificare una relazione tra l’espressione del gene ed un subset di pazienti a prognosi favorevole o sfavorevole. Dei 45 pazienti adulti affetti da LAM il 28,9% è risultato negativo per l’espressione di IDO, mentre il rimanente 71,1% è risultato positivo ed è stato suddiviso in tre ulteriori categorie, in base ai livelli di espressione. I dati non sembrano al momento suggerire l’esistenza di una correlazione tra l’espressione di IDO e le caratteristiche di rischio alla diagnosi. Nel gruppo di pazienti ad elevata espressione di IDO si riscontra un rate di resistenza alla chemioterapia di induzione più elevato, con una quota di pazienti resistenti pari al 71,4%, contro il 23,1% nel gruppo di pazienti IDO-negativi.

Characterization of the genetic control of fruit flesh color in peach

The analysis of a carotenoid cleavage dioxygenase gene in a pool of peach cultivars revealed the existence of a functional allele (W1), associated with the white flesh trait, and three independent mutations associated with the yellow phenotype: a 2 bp insertion within a repetitive sequence (y1), a large transposable element within the intron (y2) and a single base substitution generating a premature stop codon (y3). Based on these evidences, the yellow flesh phenotype seems to have arisen from at least three independent mutational events.