Molecular markers for the assessment of genetic variability in threatened plant species

La variabilità genetica è un importante strumento per lo studio e la conservazione della biodiversità in specie rare e minacciate di estinzione. Durante il mio dottorato mi sono quindi occupata di mettere a punto diverse metodologie molecolari al fine di valutare la diversità genetica in due specie rare della flora italiana che presentano problematiche diverse e specifiche. I marcatori arbitrari RAPD e i marcatori semi-arbitrari ISSR sono stati utilizzati per valutare la diversità genetica in Quercus crenata Lam. e per confermare l’ipotesi della sua origine ibridogena dalle due specie presunte parentali Quercus cerris L. e Quercus suber L., essendo Q. crenata presente in Italia settentrionale dove Q. suber è attualmente assente. I marcatori SSR o microsatelliti sono invece stati messi a punto su una specie a rischio di estinzione, endemica dell’Appennino Tosco-Emiliano, Primula apennina Widmer, applicando una metodologia specifica, basata sulla costruzione di una libreria genomica arricchita per l’isolamento di primer specifici. I marcatori RAPD e ISSR, utilizzati su un totale di 85 campioni, hanno mostrato alti livelli di diversità molecolare entro le specie studiate, eccetto per Q. suber le cui popolazioni rappresentano il margine orientale di distribuzione della specie, per questo più sottoposte ad impoverimento genetico. Oltre alla cluster analysis (UPGMA) e alla Analisi delle Componenti Principali effettuate per entrambi i marcatori, che confermano l’ipotesi dell’origine ibrida degli individui di Q. crenata diffusi in Italia Settentrionale, sono stati calcolati l’indice di ibridità basato sul maximum likelihood, che dimostra una introgressione asimmetrica di Q. crenata verso il parentale caratterizzato da superiorità demografica (Q. cerris) e il test di Mantel. Quest’ultimo ha permesso di confrontare i due marcatori RAPD e ISSR utilizzati ottenendo una bassa correlazione, a conferma del fatto che, amplificando tratti differenti del DNA nucleare, i dati non sono sovrapponibili, sebbene forniscano risultati analoghi. Per l’isolamento di loci microsatelliti ipervariabili ho utilizzato il protocolllo FIASCO (Fast isolation by AFLP of sequences containing repeats- Zane et al. 2002) che permette di costruire una libreria genomica arricchita partendo dal DNA estratto da P. apennina. Tale procedura ha previsto la digestione del DNA genomico per la produzione di una miscela di frammenti di DNA. Tramite ibridazione con opportune sonde sono stati isolati i frammenti contenenti i microsatelliti. Sequenziando i cloni ricombinanti, ho ottenuto sequenze contenenti repeats sulle cui regioni fiancheggianti sono stati costruiti 15 coppie di primer che potranno, in seguito, essere utilizzate per definire la quota di riproduzione clonale in P. apennina e per valutare la diversità genetica delle popolazioni che coprono l’areale di distribuzione della specie. Data la loro natura altamente variabile e la loro abbondanza nel DNA, gli SSR saranno, come i marcatori RAPD e gli ISSR, ugualmente validi per lo studio della variabilità genetica e per l’analisi di problematiche specifiche legate alle specie rare.

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.