Study of apoptotic deletion mediated by Bifidobacterium longum with construction of recombinant strains for Serpin encoding gene and phenotypes comparison in a pig cell model

The first part of the research project of the Co-Advisorship Ph.D Thesis was aimed to select the best Bifidobacterium longum strains suitable to set the basis of our study. We were looking for strains with the abilities to colonize the intestinal mucosa and with good adhesion capacities, so that we can test these strains to investigate their ability to induce apoptosis in “damaged” intestinal cells. Adhesion and apoptosis are the two process that we want to study to better understand the role of an adhesion protein that we have previously identified and that have top scores homologies with the recent serpin encoding gene identified in B. longum by Nestlè researchers. Bifidobacterium longum is a probiotic, known for its beneficial effects to the human gut and even for its immunomodulatory and antitumor activities. Recently, many studies have stressed out the intimate relation between probiotic bacteria and the GIT mucosa and their influence on human cellular homeostasis. We focused on the apoptotic deletion of cancer cells induced by B. longum. This has been valued in vitro, performing the incubation of three B.longum strains with enterocyte-like Caco- 2 cells, to evidence DNA fragmentation, a cornerstone of apoptosis. The three strains tested were defined for their adhesion properties using adhesion and autoaggregation assays. These features are considered necessary to select a probiotic strain. The three strains named B12, B18 and B2990 resulted respectively: “strong adherent”, “adherent” and “non adherent”. Then, bacteria were incubated with Caco-2 cells to investigate apoptotic deletion. Cocultures of Caco-2 cells with B. longum resulted positive in DNA fragmentation test, only when adherent strains were used (B12 and B18). These results indicate that the interaction with adherent B. longum can induce apoptotic deletion of Caco-2 cells, suggesting a role in cellular homeostasis of the gastrointestinal tract and in restoring the ecology of damaged colon tissues. These results were used to keep on researching and the strains tested were used as recipient of recombinant techniques aimed to originate new B.longum strains with enhanced capacity of apoptotic induction in “damaged” intestinal cells. To achieve this new goal it was decided to clone the serpin encoding gene of B. longum, so that we can understand its role in adhesion and apoptosis induction. Bifidobacterium longum has immunostimulant activity that in vitro can lead to apoptotic response of Caco-2 cell line. It secretes a hypothetical eukaryotic type serpin protein, which could be involved in this kind of deletion of damaged cells. We had previously characterised a protein that has homologies with the hypothetical serpin of B. longum (DD087853). In order to create Bifidobacterium serpin transformants, a B. longum cosmid library was screened with a PCR protocol using specific primers for serpin gene. After fragment extraction, the insert named S1 was sub-cloned into pRM2, an Escherichia coli - Bifidobacterium shuttle vector, to construct pRM3. Several protocols for B. longum transformation were performed and the best efficiency was obtained using MRS medium and raffinose. Finally bacterial cell supernatants were tested in a dotblot assay to detect antigens presence against anti-antitrypsin polyclonal antibody. The best signal was produced by one starin that has been renamed B. longum BLKS 7. Our research study was aimed to generate transformants able to over express serpin encoding gene, so that we can have the tools for a further study on bacterial apoptotic induction of Caco-2 cell line. After that we have originated new trasformants the next step to do was to test transformants abilities when exposed to an intestinal cell model. In fact, this part of the project was achieved in the Department of Biochemistry of the Medical Faculty of the University of Maribor, guest of the abroad supervisor of the Co-Advisorship Doctoral Thesis: Prof. Avrelija Cencic. In this study we examined the probiotic ability of some bacterial strains using intestinal cells from a 6 years old pig. The use of intestinal mammalian cells is essential to study this symbiosis and a functional cell model mimics a polarised epithelium in which enterocytes are separated by tight junctions. In this list of strains we have included the Bifidobacterium longum BKS7 transformant strain that we have previously originated; in order to compare its abilities. B. longum B12 wild type and B. longum BKS7 transformant and eight Lactobacillus strains of different sources were co-cultured with porcine small intestine epithelial cells (PSI C1) and porcine blood monocytes (PoM2) in Transwell filter inserts. The strains, including Lb. gasseri, Lb. fermentum, Lb. reuterii, Lb. plantarum and unidentified Lactobacillus from kenyan maasai milk and tanzanian coffee, were assayed for activation of cell lines, measuring nitric oxide by Griess reaction, H202 by tetramethylbenzidine reaction and O2 - by cytochrome C reduction. Cytotoxic effect by crystal violet staining and induction on metabolic activity by MTT cell proliferation assay were tested too. Transepithelial electrical resistance (TER) of polarised PSI C1 was measured during 48 hours co-culture. TER, used to observe epithelium permeability, decrease during pathogenesis and tissue becomes permeable to ion passive flow lowering epithelial barrier function. Probiotics can prevent or restore increased permeability. Lastly, dot-blot was achieved against Interleukin-6 of treated cells supernatants. The metabolic activity of PoM2 and PSI C1 increased slightly after co-culture not affecting mitochondrial functions. No strain was cytotoxic over PSI C1 and PoM2 and no cell activation was observed, as measured by the release of NO2, H202 and O2 - by PoM2 and PSI C1. During coculture TER of polarised PSI C1 was two-fold higher comparing with constant TER (~3000 ) of untreated cells. TER raise generated by bacteria maintains a low permeability of the epithelium. During treatment Interleukin-6 was detected in cell supernatants at several time points, confirming immunostimulant activity. All results were obtained using Lactobacillus paracasei Shirota e Carnobacterium divergens as controls. In conclusion we can state that both the list of putative probiotic bacteria and our new transformant strain of B. longum are not harmful when exposed to intestinal cells and could be selected as probiotics, because can strengthen epithelial barrier function and stimulate nonspecific immunity of intestinal cells on a pig cell model. Indeed, we have found out that none of the strains tested that have good adhesion abilities presents citotoxicity to the intestinal cells and that non of the strains tested can induce cell lines to produce high level of ROS, neither NO2. Moreover we have assayed even the capacity of producing certain citokynes that are correlated with immune response. The detection of Interleukin-6 was assayed in all our samples, including B.longum transformant BKS 7 strain, this result indicates that these bacteria can induce a non specific immune response in the intestinal cells. In fact, when we assayed the presence of Interferon-gamma in cells supernatant after bacterial exposure, we have no positive signals, that means that there is no activation of a specific immune response, thus confirming that these bacteria are not recognize as pathogen by the intestinal cells and are certainly not harmful for intestinal cells. The most important result is the measure of Trans Epithelial Electric Resistance that have shown how the intestinal barrier function get strengthen when cells are exposed to bacteria, due to a reduction of the epithelium permeability. We have now a new strain of B. longum that will be used for further studies above the mechanism of apoptotic induction to “damaged cells” and above the process of “restoring ecology”. This strain will be the basis to originate new transformant strains for Serpin encoding gene that must have better performance and shall be used one day even in clinical cases as in “gene therapy” for cancer treatment and prevention.

Produzione di virus sintetici per lo studio dei meccanismi di interazione coinvolti nell'induzione di resistenza

Beet soil-borne mosaic virus (BSBMV) and Beet necrotic yellow vein virus (BNYVV) are members of Benyvirus genus. BSBMV has been reported only in the United States while BNYVV has a worldwide distribution. Both viruses are vectored by Polymyxa betae, possess similar host ranges, particles number and morphology. Both viruses are not serologically related but have similar genomic organizations. Field isolates consist of four RNA species but some BNYVV isolates contain a fifth RNA. RNAs 1 and 2 are essential for infection and replication while RNAs 3 and 4 play important roles on plant and vector interactions, respectively. Nucleotide and amino acid analyses revealed BSBMV and BNYVV are different enough to be classified in two different species. Additionally in BNYVV/BSBMV mixed infections, a competition was previous described in sugar beet, where BNYVV infection reduces BSBMV accumulation in both susceptible and resistant cultivars. Considering all this observations we hypothesized that BNYVV and BSBMV crossed study, exploiting their similarities and divergences, can improve investigation of molecular interactions between sugar beets and Benyviruses. The main achievement of our research is the production of a cDNA biologically active clones collection of BNYVV and BSBMV RNAs, from which synthetic copies of both Benyviruses can be transcribed. Moreover, through recombination experiments we demonstrated, for the first time, the BNYVV RNA 1 and 2 capability to trans-replicate and encapsidate BSBMV RNA 3 and 4, either the BSBMV RNA 1 and 2 capability to replicate BNYVV RNA2 in planta. We also demonstrated that BSBMV RNA3 support long-distance movement of BNYVV RNA 1 and 2 in B. macrocarpa and that 85 foreign sequence as p29HA, GFP and RFP, are successfully expressed, in C. quinoa, by BSBMV RNA3 based replicon (RepIII) also produced by our research. These results confirm the close correlation among the two viruses. Interestingly, the symptoms induced by BSBMV RNA-3 on C. quinoa leaves are more similar to necrotic local lesions caused by BNYVV RNA-5 p26 than to strongly chlorotic local lesions or yellow spot induced by BNYVV RNA- 3 encoded p25. As previous reported BSBMV p29 share 23% of amino acid sequence identity with BNYVV p25 but identity increase to 43% when compared with sequence of BNYVV RNA-5 p26. Based on our results the essential sequence (Core region) for the longdistance movement of BSBMV and BNYVV in B. macrocarpa, is not only carried by RNA3s species but other regions, perhaps located on the RNA 1 and 2, could play a fundamental role in this matter. Finally a chimeric RNA, composed by the 5’ region of RNA4 and 3’ region of RNA3 of BSBMV, has been produced after 21 serial mechanically inoculation of wild type BSBMV on C. quinoa plants. Chimera seems unable to express any protein, but it is replicated and transcript in planta. It could represent an important tool to study the interactions between Benyvirus and plant host. In conclusion different tools, comprising a method to study synthetic viruses under natural conditions of inoculum through P. Betae, have been produced and new knowledge are been acquired that will allow to perform future investigation of the molecular interactions between sugar beets and Benyviruses.

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.

Strategie di sviluppo sostenibile: studio e applicazione della metodologia di analisi degli scenari in campo agro-ambientale

L’obiettivo del lavoro svolto nell’ambito del ciclo di dottorato è stato quello dell’applicazione della metodologia di analisi degli scenari, nell’ottica dello studio e applicazione di un metodo di analisi integrato e multidisciplinare che consenta individuare strategie di sviluppo sostenibile in relazione alla questione indagata. Lo studio sviluppato nel corso del dottorato è stato impostato su presupposti forniti dalla Regione Toscana (in entrambi i casi di studio trattati), che ha finanziato, attraverso la sua Agenzia Regionale per lo Sviluppo e Innovazione in ambito Agricolo (ARSIA), due Progetti di ricerca volti all’individuazione di strategie di sviluppo sostenibile concernenti due tematiche di particolare interesse in ambito regionale: lo sviluppo di coltivazioni non-food (biocarburanti, biomasse da energia, biopolimeri, biolubrificanti, fibre vegetali, coloranti naturali, fitofarmaci di origine vegetale) e la valutazione della possibilità di coesistenza tra colture convenzionali (non Geneticamente Modificate) e colture GM, in relazione alla Raccomandazione della Commissione 2003/556/CE che afferma che deve essere garantita la coesistenza tra colture transgeniche, convenzionali e biologiche, ovvero che devono essere presenti le condizioni per cui ciascun metodo di coltivazione possa poter essere adottato e praticato in UE. La sostenibilità delle situazioni studiate è stata valutata fornendo informazioni non solo per la situazioni attuali, ma anche per possibili evoluzioni future, così come richiesto dai principi dello sviluppo sostenibile. A tal proposito, occorre applicare metodologie di analisi che consentano di poter identificare obiettivi strategici in funzione dei cambiamenti che potrebbero essere registrati, in corrispondenza dell’evolversi delle diverse situazioni nel tempo. La metodologia di analisi in grado di soddisfare questi requisiti può essere identificata nell’analisi di scenario (scenario analysis), che si configura come uno strumento di analisi strategica in grado di riassumere numerose informazioni e dati riferiti agli attori, agli obiettivi, agli strumenti, alle cause ed agli effetti indotti da un cambiamento che potrebbe essere provocato da uno o più fattori contemplati nel corso dell’analisi. Questo metodo di analisi rappresenta un’importante strumento di ausilio alla definizione di politiche e strategie, che si rende particolarmente utile nel campo della public choice, come dimostrato dalle applicazioni presentate nel corso del lavoro.

Strategie di elaborazione di tracciati GPS per reti veicolari

Il proliferare di dispositivi di elaborazione e comunicazione mobili (telefoni cellulari, computer portatili, PDA, wearable devices, personal digital assistant) sta guidando un cambiamento rivoluzionario nella nostra società dell'informazione. Si sta migrando dall'era dei Personal Computer all'era dell'Ubiquitous Computing, in cui un utente utilizza, parallelamente, svariati dispositivi elettronici attraverso cui può accedere a tutte le informazioni, ovunque e quantunque queste gli si rivelino necessarie. In questo scenario, anche le mappe digitali stanno diventando sempre più parte delle nostre attività quotidiane; esse trasmettono informazioni vitali per una pletora di applicazioni che acquistano maggior valore grazie alla localizzazione, come Yelp, Flickr, Facebook, Google Maps o semplicemente le ricerche web geo-localizzate. Gli utenti di PDA e Smartphone dipendono sempre più dai GPS e dai Location Based Services (LBS) per la navigazione, sia automobilistica che a piedi. Gli stessi servizi di mappe stanno inoltre evolvendo la loro natura da uni-direzionale a bi-direzionale; la topologia stradale è arricchita da informazioni dinamiche, come traffico in tempo reale e contenuti creati dagli utenti. Le mappe digitali aggiornabili dinamicamente sono sul punto di diventare un saldo trampolino di lancio per i sistemi mobili ad alta dinamicità ed interattività, che poggiando su poche informazioni fornite dagli utenti, porteranno una moltitudine di applicazioni innovative ad un'enorme base di consumatori. I futuri sistemi di navigazione per esempio, potranno utilizzare informazioni estese su semafori, presenza di stop ed informazioni sul traffico per effettuare una ottimizzazione del percorso che valuti simultaneamente fattori come l'impronta al carbonio rilasciata, il tempo di viaggio effettivamente necessario e l'impatto della scelta sul traffico locale. In questo progetto si mostra come i dati GPS raccolti da dispositivi fissi e mobili possano essere usati per estendere le mappe digitali con la locazione dei segnali di stop, dei semafori e delle relative temporizzazioni. Queste informazioni sono infatti oggi rare e locali ad ogni singola municipalità, il che ne rende praticamente impossibile il pieno reperimento. Si presenta quindi un algoritmo che estrae utili informazioni topologiche da agglomerati di tracciati gps, mostrando inoltre che anche un esiguo numero di veicoli equipaggiati con la strumentazione necessaria sono sufficienti per abilitare l'estensione delle mappe digitali con nuovi attributi. Infine, si mostrerà come l'algoritmo sia in grado di lavorare anche con dati mancanti, ottenendo ottimi risultati e mostrandosi flessibile ed adatto all'integrazione in sistemi reali.

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.

Effetto di erbicidi su crescita ed efficienza fotosintetica della diatomea Skeletonema marinoi

In questa tesi è stato studiato l’effetto dell’esposizione della diatomea Skeletonema marinoi, una specie molto comune nel Nord Adriatico e importante per il suo annuale contributo alla produzione primaria, agli erbicidi maggiormente utilizzati nella pianura Padana e riscontrati in acque dolci e salmastre di zone limitrofe al mare Adriatico. Gli erbicidi scelti consistono in terbutilazina e metolachlor, i più frequentemente riscontrati sia nelle acque superficiali che in quelle sotterranee dell’area Padana, noti per avere un effetto di inibizione su vie metaboliche dei vegetali; inoltre è stato valutato anche l’effetto di un prodotto di degradazione della terbutilazina, la desetilterbutilazina, presente anch’esso in concentrazioni pari al prodotto di origine e su cui non si avevano informazioni circa la tossicità sul fitoplancton. L’esposizione delle microalghe a questi erbicidi può avere effetti che si ripercuotono su tutto l’ecosistema: le specie fitoplanctoniche, in particolare le diatomee, sono i produttori primari più importanti dell’ecosistema: questi organismi rivestono un ruolo fondamentale nella fissazione del carbonio, rappresentando il primo anello della catena alimentari degli ambienti acquatici e contribuendo al rifornimento di ossigeno nell’atmosfera. L’effetto di diverse concentrazioni di ciascun composto è stato valutato seguendo l’andamento della crescita e dell’efficienza fotosintetica di S. marinoi. Per meglio determinare la sensibilità di questa specie agli erbicidi, l’effetto della terbutilazina è stato valutato anche al variare della temperatura (15, 20 e 25°C). Infine, dal momento che gli organismi acquatici sono solitamente esposti a una miscela di composti, è stato valutato l’effetto sinergico di due erbicidi, entrambi somministrati a bassa concentrazione. Le colture di laboratorio esposte a concentrazioni crescenti di diversi erbicidi e, in un caso, anche a diverse temperature, indicano che l’erbicida al quale la microalga mostra maggiore sensibilità è la Terbutilazina. Infatti a parità di concentrazioni, la sensibilità della microalga alla Terbutilazina è risultata molto più alta rispetto al suo prodotto di degradazione, la Desetilterbutilazina e all’erbicida Metolachlor. Attraverso l’analisi di densità algale, di efficienza fotosintetica, di biovolume e di contenuto intracellulare di Carbonio e Clorofilla, è stato dimostrato l’effetto tossico dell’erbicida Terbutilazina che, agendo come inibitore del trasporto degli elettroni a livello del PS-II, manifesta la sua tossicità nell’inibizione della fotosintesi e di conseguenza sulla crescita e sulle proprietà biometriche delle microalghe. E’ stato visto come la temperatura sia un parametro ambientale fondamentale sulla crescita algale e anche sugli effetti tossici di Terbutilazina; la temperatura ideale per la crescita di S. marinoi è risultata essere 20°C. Crescendo a 15°C la microalga presenta un rallentamento nella crescita, una minore efficienza fotosintetica, variazione nei valori biometrici, mostrando al microscopio forme irregolari e di dimensioni inferiori rispetto alle microalghe cresciute alle temperature maggiori, ed infine incapacità di formare le tipiche congregazioni a catena. A 25° invece si sono rivelate difficoltà nell’acclimatazione: sembra che la microalga si debba abituare a questa alta temperatura ritardando così la divisione cellulare di qualche giorno rispetto agli esperimenti condotti a 15° e a 20°C. Gli effetti della terbutilazina sono stati maggiori per le alghe cresciute a 25°C che hanno mostrato un calo più evidente di efficienza fotosintetica effettiva e una diminuzione di carbonio e clorofilla all’aumentare delle concentrazioni di erbicida. Sono presenti in letteratura studi che attestano gli effetti tossici paragonabili dell’atrazina e del suo principale prodotto di degradazione, la deetilatrazina; nei nostri studi invece non sono stati evidenziati effetti tossici significativi del principale prodotto di degradazione della terbutilazina, la desetilterbutilazina. Si può ipotizzare quindi che la desetilterbutilazina perda la propria capacità di legarsi al sito di legame per il pastochinone (PQ) sulla proteina D1 all’interno del complesso del PSII, permettendo quindi il normale trasporto degli elettroni del PSII e la conseguente sintesi di NADPH e ATP e il ciclo di riduzione del carbonio. Il Metolachlor non evidenzia una tossicità severa come Terbutilazina nei confronti di S. marinoi, probabilmente a causa del suo diverso meccanismo d’azione. Infatti, a differenza degli enzimi triazinici, metolachlor agisce attraverso l’inibizione delle elongasi e del geranilgeranil pirofosfato ciclasi (GGPP). In letteratura sono riportati casi studio degli effetti inibitori di Metolachlor sulla sintesi degli acidi grassi e di conseguenza della divisione cellulare su specie fitoplanctoniche d’acqua dolce. Negli esperimenti da noi condotti sono stati evidenziati lievi effetti inibitori su S. marinoi che non sembrano aumentare all’aumentare della concentrazione dell’erbicida. E’ interessante notare come attraverso la valutazione della sola crescita non sia stato messo in evidenza alcun effetto mentre, tramite l’analisi dell’efficienza fotosintetica, si possa osservare che il metolachlor determina una inibizione della fotosintesi.

Development of screening assays to test novel integrin antagonists in allergic inflammation

Aim of the research: to develop a prototype of homogeneous high-throughput screening (HTS) for identification of novel integrin antagonists for the treatment of ocular allergy and to better understand the mechanisms of action of integrin-mediated levocabastine antiallergic action. Results: This thesis provides evidence that adopting scintillation proximity assay (SPA) levocabastine (IC50=406 mM), but not the first-generation antihistamine chlorpheniramine, displaces [125I]fibronectin (FN) binding to human a4b1 integrin. This result is supported by flow cytometry analysis, where levocabastine antagonizes the binding of a primary antibody to integrin a4 expressed in Jurkat E6.1 cells. Levocabastine, but not chlorpheniramine, binds to a4b1 integrin and prevents eosinophil adhesion to VCAM-1, FN or human umbilical vein endothelial cells (HUVEC) cultured in vitro. Similarly, levocabastine affects aLb2/ICAM-1-mediated adhesion of Jurkat E6.1 cells. Analyzing the supernatant of TNF-a-treated (24h) eosinophilic cells (EoL-1), we report that levocabastine reduces the TNF-a-induced release of the cytokines IL-12p40, IL-8 and VEGF. Finally, in a model of allergic conjunctivitis, levocastine eye drops (0.05%) reduced the clinical aspects of the early and late phase reactions and the conjunctival expression of a4b1 integrin by reducing infiltrated eosinophils. Conclusions: SPA is a highly efficient, amenable to automation and robust binding assay to screen novel integrin antagonists in a HTS setting. We propose that blockade of integrinmediated cell adhesion might be a target of the anti-allergic action of levocabastine and may play a role in preventing eosinophil adhesion and infiltration in allergic conjunctivitis.

Salt stress responses in pear and quince: physiological and molecular aspects

The productivity of agricultural crops is seriously limited by salinity. This problem is rapidly increasing, particularly in irrigated lands. Like almost all the fruit tree species, Pyrus communis is generally considered a salt sensitive species, but only little information is available on its behavior under saline conditions. Previous studies, carried out in the Department of Fruit Tree and Woody Plant Science (University of Bologna), focused their attention on pear and quince salt stress responses to understand which rootstock would be the most suitable for pear in order to tolerate a salt stress condition. It has been reported that pear and quince have different ability in the uptake, translocation and accumulation of chloride (Cl-) and sodium (Na+) ions, when plants were irrigated for one season with saline water (5 dS/m). The aim of the present work was to deepen these aspects and investigate salt stress responses in pear and quince. Two different experiments have been performed: a “short-term” trial in a growth chamber and a “long-term” experiment in the open field. In the short-term experiment, three different genotypes usually adopted as pear rootstocks (MC, BA29 and Farold®40) and the pear variety Abbé Fétel own rooted have been compared under salt stress conditions. The trial was performed in a hydroponic culture system, applying a 90 mM NaCl stress to half of the plants, after five weeks of normal growth in Hoagland’s solution. During the three-weeks of salt stress treatment, physiological, mineral and molecular analyses were performed in order to monitor, for each genotype, the development of the salt stress responses in comparison with the corresponding “unstressed” plants. Farold®40 and Abbé Fétel own rooted showed the onset of leaf necrosis, due to salt toxicity, one week before quinces. Moreover, quinces displayed a significant delay in premature senescence of old leaves, while pears emerged for their ability to regenerate new leaves from apparently dead foliage with the salt stress still running. Physiological measurements, such as shoots length, chlorophyll (Chl) content, and photosynthesis, have been carried out and revealed that pears exhibited a significant reduction in water content and a wilting aspect, while for quinces a decrease in Chl content and a growth slowdown were observed. At the end of the trial, all plants were collected and organs separated for dry weight estimation and mineral analyses (Cu, Fe, Mn, Zn Mg, Ca, K, Na and Cl). Mineral contents have been affected by salinity; same macro/micro nutrients were altered in some organs or relocated within the plant. This plant response could have partially contributed to face the salt stress. Leaves and roots have been harvested for molecular analyses at four different times during stress conditions. Molecular analyses consisted of the gene expression study of three main ion transporters, well known in Arabidopsis thaliana as salt-tolerance determinants in the “SOS” pathway: NHX1 (tonoplast Na+/H+ antiporter), SOS1 (plasmalemma Na+/H+ antiporter) and HKT1 (K+ high-affinity and Na+ low-affinity transporter). These studies showed that two quince rootstocks adopted different responsive mechanisms to NaCl stress. BA29 increased its Na+ sequestration activity into leaf vacuoles, while MC enhanced temporarily the same ability, but in roots. Farold®40, instead, exhibited increases in SOS1 and HKT1 expression mainly at leaf level in the attempt to retrieve Na+ from xylem, while Abbé Fétel differently altered the expression of these genes in roots. Finally, each genotype showed a peculiar response to salt stress that was the sum of its ability in Na+ exclusion, osmotic tolerance and tissue tolerance. In the long-term experiment, potted trees of the pear variety Abbé Fétel grafted on different rootstocks (MC, BA29 and Farold®40), or own rooted and also rootstocks only were subjected to a salt stress through saline water irrigation with an electrical conductivity of 5 dS/m for two years. The purposes of this study were to evaluate salinity effects on physiological (shoot length, number of buds, photosynthesis, etc.) and yield parameters of cultivar Abbé Fétel in the different combinations and to determine the salt amount that pear is able to tolerate over the years. With this work, we confirmed the previous hypothesis that pear, despite being classified as a salt-sensitive fruit tree, can be cultivated for two years under saline water irrigation, without showing any salt toxicity symptoms or severe drawbacks on plant development and production. Among different combinations, Abbé Fétel grafted on MC resulted interesting for its peculiar behaviors under salt stress conditions. In the near future, further investigations on physiological and molecular aspects will be necessary to enrich and broaden the knowledge of salt stress responses in pear.

Precision horticulture: application on apple orchards

Precision horticulture and spatial analysis applied to orchards are a growing and evolving part of precision agriculture technology. The aim of this discipline is to reduce production costs by monitoring and analysing orchard-derived information to improve crop performance in an environmentally sound manner. Georeferencing and geostatistical analysis coupled to point-specific data mining allow to devise and implement management decisions tailored within the single orchard. Potential applications range from the opportunity to verify in real time along the season the effectiveness of cultural practices to achieve the production targets in terms of fruit size, number, yield and, in a near future, fruit quality traits. These data will impact not only the pre-harvest but their effect will extend to the post-harvest sector of the fruit chain. Chapter 1 provides an updated overview on precision horticulture , while in Chapter 2 a preliminary spatial statistic analysis of the variability in apple orchards is provided before and after manual thinning; an interpretation of this variability and how it can be managed to maximize orchard performance is offered. Then in Chapter 3 a stratification of spatial data into management classes to interpret and manage spatial variation on the orchard is undertaken. An inverse model approach is also applied to verify whether the crop production explains environmental variation. In Chapter 4 an integration of the techniques adopted before is presented. A new key for reading the information gathered within the field is offered. The overall goal of this Dissertation was to probe into the feasibility, the desirability and the effectiveness of a precision approach to fruit growing, following the lines of other areas of agriculture that already adopt this management tool. As existing applications of precision horticulture already had shown, crop specificity is an important factor to be accounted for. This work focused on apple because of its importance in the area where the work was carried out, and worldwide.

Studio molecolare dei meccanismi dell'autoincompatibilità gametofitica in pero europeo (Pyrus communis)

Self-incompatibility (SI) systems have evolved in many flowering plants to prevent self-fertilization and thus promote outbreeding. Pear and apple, as many of the species belonging to the Rosaceae, exhibit RNase-mediated gametophytic self-incompatibility, a widespread system carried also by the Solanaceae and Plantaginaceae. Pear orchards must for this reason contain at least two different cultivars that pollenize each other; to guarantee an efficient cross-pollination, they should have overlapping flowering periods and must be genetically compatible. This compatibility is determined by the S-locus, containing at least two genes encoding for a female (pistil) and a male (pollen) determinant. The female determinant in the Rosaceae, Solanaceae and Plantaginaceae system is a stylar glycoprotein with ribonuclease activity (S-RNase), that acts as a specific cytotoxin in incompatible pollen tubes degrading cellular RNAs. Since its identification, the S-RNase gene has been intensively studied and the sequences of a large number of alleles are available in online databases. On the contrary, the male determinant has been only recently identified as a pollen-expressed protein containing a F-box motif, called S-Locus F-box (abbreviated SLF or SFB). Since F-box proteins are best known for their participation to the SCF (Skp1 - Cullin - F-box) E3 ubiquitine ligase enzymatic complex, that is involved in protein degradation through the 26S proteasome pathway, the male determinant is supposed to act mediating the ubiquitination of the S-RNases, targeting them for the degradation in compatible pollen tubes. Attempts to clone SLF/SFB genes in the Pyrinae produced no results until very recently; in apple, the use of genomic libraries allowed the detection of two F-box genes linked to each S haplotype, called SFBB (S-locus F-Box Brothers). In Japanese pear, three SFBB genes linked to each haplotype were cloned from pollen cDNA. The SFBB genes exhibit S haplotype-specific sequence divergence and pollen-specific expression; their multiplicity is a feature whose interpretation is unclear: it has been hypothesized that all of them participate in the S-specific interaction with the RNase, but it is also possible that only one of them is involved in this function. Moreover, even if the S locus male and female determinants are the only responsible for the specificity of the pollen-pistil recognition, many other factors are supposed to play a role in GSI; these are not linked to the S locus and act in a S-haplotype independent manner. They can have a function in regulating the expression of S determinants (group 1 factors), modulating their activity (group 2) or acting downstream, in the accomplishment of the reaction of acceptance or rejection of the pollen tube (group 3). This study was aimed to the elucidation of the molecular mechanism of GSI in European pear (Pyrus communis) as well as in the other Pyrinae; it was divided in two parts, the first focusing on the characterization of male determinants, and the second on factors external to the S locus. The research of S locus F-box genes was primarily aimed to the identification of such genes in European pear, for which sequence data are still not available; moreover, it allowed also to investigate about the S locus structure in the Pyrinae. The analysis was carried out on a pool of varieties of the three species Pyrus communis (European pear), Pyrus pyrifolia (Japanese pear), and Malus × domestica (apple); varieties carrying S haplotypes whose RNases are highly similar were chosen, in order to check whether or not the same level of similarity is maintained also between the male determinants. A total of 82 sequences was obtained, 47 of which represent the first S-locus F-box genes sequenced from European pear. The sequence data strongly support the hypothesis that the S locus structure is conserved among the three species, and presumably among all the Pyrinae; at least five genes have homologs in the analysed S haplotypes, but the number of F-box genes surrounding the S-RNase could be even greater. The high level of sequence divergence and the similarity between alleles linked to highly conserved RNases, suggest a shared ancestral polymorphism also for the F-box genes. The F-box genes identified in European pear were mapped on a segregating population of 91 individuals from the cross 'Abbé Fétel' × 'Max Red Bartlett'. All the genes were placed on the linkage group 17, where the S locus has been placed both in pear and apple maps, and resulted strongly associated to the S-RNase gene. The linkage with the RNase was perfect for some of the F-box genes, while for others very rare single recombination events were identified. The second part of this study was focused on the research of other genes involved in the SI response in pear; it was aimed on one side to the identification of genes differentially expressed in compatible and incompatible crosses, and on the other to the cloning and characterization of the transglutaminase (TGase) gene, whose role may be crucial in pollen rejection. For the identification of differentially expressed genes, controlled pollinations were carried out in four combinations (self pollination, incompatible, half-compatible and fully compatible cross-pollination); expression profiles were compared through cDNA-AFLP. 28 fragments displaying an expression pattern related to compatibility or incompatibility were identified, cloned and sequenced; the sequence analysis allowed to assign a putative annotation to a part of them. The identified genes are involved in very different cellular processes or in defense mechanisms, suggesting a very complex change in gene expression following the pollen/pistil recognition. The pool of genes identified with this technique offers a good basis for further study toward a better understanding of how the SI response is carried out. Among the factors involved in SI response, moreover, an important role may be played by transglutaminase (TGase), an enzyme involved both in post-translational protein modification and in protein cross-linking. The TGase activity detected in pear styles was significantly higher when pollinated in incompatible combinations than in compatible ones, suggesting a role of this enzyme in the abnormal cytoskeletal reorganization observed during pollen rejection reaction. The aim of this part of the work was thus to identify and clone the pear TGase gene; the PCR amplification of fragments of this gene was achieved using primers realized on the alignment between the Arabidopsis TGase gene sequence and several apple EST fragments; the full-length coding sequence of the pear TGase gene was then cloned from cDNA, and provided a precious tool for further study of the in vitro and in vivo action of this enzyme.

Effetto dell'erbicida Terbutilazina sulla crescita di flagellate marine in coltura

Il fitoplancton è costituito da organismi molto importanti per l'ambiente marino e molto diversificati sia dal punto di vista morfologico che fisiologico.Questi organismi sono normalmente soggetti ai cambiamenti stagionali e alle variazioni dell'ambiente dovute sia a fenomeni naturali che all'impatto antropico, sempre più rilevante. Con questa tesi si è voluto approfondire l'effetto di erbicidi comunemente usati dall'uomo in agricoltura su delle microalghe flagellate rappresentative del Mar Adriatico. L'inquinante scelto è la Terbutilazina, sostanza utilizzata per il diserbo del mais e diffusa in tutta l'area padano-venera, come dimostrano i dati dei campionamenti ARPA, che riportano la presenza di Terbutilazina e del suo prodotto di degradazione Desetil-Terbutilazina a concentrazioni superiori al limite fissato sia nelle acque superficiali che in quelle sotterranee. Anche in mare come riportato in letteratura (Carafa et. al 2009)è stato riscontrato a concentrazioni superiori al limite previsto dalla normativa vigente in Italia. In particolare il meccanismo d'azione di questo erbicida interferisce con la fotosintesi, agendo sulle proteine di membrana dei cloroplasti, rimpiazzando il chinone accettore di elettroni QB della proteina D1 del fotosistema II. Più specie di microalghe fatte crescere in colture 'batch' sono state testate a diverse concentrazioni di erbicida in condizione di luce nutrienti costanti. Questi esperimenti sono stati inoltre condotti a due diverse temperature (20 e 25°C) per studiare l'effetto di questo inquinante in correlazione con l'attuale aumento di temperatura in atto nel pianeta. In una prima fase di screening è stato valutato l'effetto della Terbutilazina su 9 specie di flagellate rappresentative dell'Adriatico, tramite misure dell'efficienza fotosintetica. Grazie a questa prima fase sono state individuate le microalghe e le relative concentrazioni di Terbutilazina da utilizzare negli esperimenti. Per gli esperimenti, sono state scelte le due specie algali Gonyaulax spinifera e Prorocentrum minimum sulle quali si è approfondito lo studio dell'effetto dell'inquinante alle due temperature, attraverso una serie di analisi volte ad individuare le risposte in termini di crescita e di fisiologia delle alghe quali: conteggio delle cellule, torbidità, efficienza fotosintetica, consumo di nutrienti, quantità di clorofilla e di polisaccaridi extracellulari prodotti. La scelta di queste microalghe è stata dettata dal fatto che Gonyaulax spinifera si è rivelata la microalga più sensibile a concentrazioni di erbicida più vicine a quelle ambientali fra tutte le alghe valutate, mentre Prorocentrum minimum è fra le dinoflagellate più frequenti e rappresentative del Mar Adriatico (Aubry et al. 2004), anche se non particolarmente sensibile; infatti P. minimum è stato testato ad una concentrazione di erbicida maggiore rispetto a quelle normalmente ritrovate in ambiente marino. Dai risultati riportati nella tesi si è visto come l'erbicida Terbutilazina sia in grado di influenzare la crescita e la fotosintesi di microalghe flagellate dell'Adriatico anche a concentrazioni pari a quelle rilevate in ambiente, e si è evidenziato che gli effetti sono maggiori alle temperature in cui le microalghe hanno una crescita meno efficiente. Questi studi hanno messo in evidenza anche l'utilità delle misure di fotosintesi tramite fluorimetro PAM nel valutare le risposte delle microalghe agli erbicidi triazinici. Inoltre la diversa risposta delle microalghe osservata, potrebbe avere conseguenze rilevanti sulle fioriture estive di fitoplancton in caso di presenza in mare di Terbutilazina, anche a concentrazioni non particolarmente elevate. Questo lavoro si inserisce in un contesto più ampio di ricerca volto alla modellizzazione della crescita algale in presenza di inquinanti ed in concomitanza con le variazioni di temperatura. Infatti i dati ottenuti insieme a misure di carbonio cellulare, non ancora effettuate, saranno utili per la messa a punto di nuove parametrizzazioni che si avvicinino maggiormente ai dati reali, per poi simulare i possibili scenari futuri variando le condizioni ambientali e le concentrazioni dell'inquinante studiato.

Interazioni tra Glicoproteine che mediano la penetrazione del Virus Herpes Simplex nella cellula e disegno razionale di Peptidi Inibitori

Herpes simplex virus entry into cells requires a multipartite fusion apparatus made of gD, gB and heterodimer gH/gL. gD serves as receptor-binding glycoprotein and trigger of fusion; its ectodomain is organized in a N-terminal domain carrying the receptor-binding sites, and a C-terminal domain carrying the profusion domain, required for fusion but not receptor-binding. gB and gH/gL execute fusion. To understand how the four glycoproteins cross-talk to each other we searched for biochemical defined complexes in infected and transfected cells, and in virions. We report that gD formed complexes with gB in absence of gH/gL, and with gH/gL in absence of gB. Complexes with similar composition were formed in infected and transfected cells. They were also present in virions prior to entry, and did not increase at virus fusion with cell. A panel of gD mutants enabled the preliminary location of part of the binding site in gD to gB to the aa 240-260 portion and downstream, with T306P307 as critical residues, and of the binding site to gH/gL at aa 260-310 portion, with P291P292 as critical residues. The results indicate that gD carries composite independent binding sites for gB and gH/gL, both of which partly located in the profusion domain. The second part of the project dealt with rational design of peptides inhibiting virus entry has been performed. Considering gB and gD, the crystal structure is known, so we designed peptides that dock in the structure or prevent the adoption of the final conformation of target molecule. Considering the other glycoproteins, of which the structure is not known, peptide libraries were analyzed. Among several peptides, some were identified as active, designed on glycoprotein B. Two of them were further analyzed. We identified peptide residues fundamental for the inhibiting activity, suggesting a possible mechanism of action. Furthermore, changing the flexibility of peptides, an increased activity was observed,with an EC50 under 10μM. New approaches will try to demonstrate the direct interaction between these peptides and the target glycoprotein B.