Characterization of mitochondrial genomes in bivalve species with doubly uniparental inheritance of mitochondria

Many bivalve species possess two distinct mtDNA lineages, called F and M, respectively inherited maternally and paternally: this system is called doubly uniparental inheritance (DUI). The main experimental project of my PhD was the quantification of the two mtDNAs during the development of the DUI species Ruditapes philippinarum, from early embryos to sub-adults, using Real-Time qPCR. I identified the time interval in which M mtDNA is lost from female individuals, while it is retained in males (which are heteroplasmic through all of their life cycle). The results also suggested absence of mtDNA replication during early embryogenesis, a process constituting a bottleneck that highly reduces the copy number of mtDNA molecules in cells of developing larvae. In males this bottleneck may produce cells homoplasmic for M mtDNA, and could be considered as a first step of the segregation of M in the male germ line. Another finding was the characterization, in young clams approaching the first reproductive season, of a significant boost in copy number of F mtDNA in females and of M in males. Given the age of animals in which this mtDNA-specific growth was observed, the finding could probably be the outcome of the first round of gonads and gametes production. Other lines of research included the characterization of the unassigned regions in mt genomes of DUI bivalves. These regions can harbor signals involved in the control of replication and/or transcription of the mtDNA molecule, as well as additional open reading frames (ORFs) not related to oxidative phosphorylation. These features in DUI species could be associated to the maintenance of separate inheritance routes for the two mtDNAs. Additional ORFs are also found in other animal mt genomes: I summarized the presence of gene duplications as a co-author in a review focusing on animal mt genomes with unusual gene content.

Demersal communities in the Mediterranean Sea: a case study of Triglidae (Osteichthyes, Scorpaeniformes) on the conservation and sustainable use of marine resources

An appropriate management of fisheries resources can only be achieved with the continuous supply of information on the structure and biology of populations, in order to predict the temporal fluctuations. This study supports the importance of investigating the bio-ecology of increasingly exploited and poorly known species, such as gurnards (Osteichthyes, Triglidae) from Adriatic Sea (Mediterranean), to quantify their ecological role into marine community. It also focuses on investigate inter and intra-specific structuring factor of Adriatic population. These objectives were achieved by: 1) investigating aspects of the population dynamics; 2) studying the feeding biology through the examination of stomach contents; 3) using sagittal otoliths as potential marker of species life cycle; 4) getting preliminary data on mDNA phylogeny. Gurnards showed a specie-specific “critical size” coinciding with the start of sexual maturity, the tendency to migrate to greater depths, a change of diet from crustaceans to fish and an increase of variety of food items eaten. Distribution of prey items, predator size range and depth distribution were the main dimensions that influence the breadth of trophic niche and the relative difference amongst Adriatic gurnards. Several feeding preferences were individuated and a possible impact among bigger-size gurnards and other commercial fishes (anchovy, gadoids) and Crustacea (such as mantis prawn and shrimps) were to be necessary considered. Otolith studies showed that gurnard species have a very fast growth despite other results in other areas; intra-specific differences and the increase in the variability of otolith shape, sulcus acusticus shape, S:O ratios, sulcus acusticus external crystals arrangement were shown between juveniles and adults and were linked to growth (individual genetic factors) and to environmental conditions (e.g. depth and trophic niche distribution). In order to facilitate correct biological interpretation of data, molecular data were obtained for comparing morphological distance to genetic ones.

Assessment of the population structure and temporal changes in spatial dynamics and genetic characteristics of the Atlantic bluefin tuna under a fishery independent framework.

As a large and long-lived species with high economic value, restricted spawning areas and short spawning periods, the Atlantic bluefin tuna (BFT; Thunnus thynnus) is particularly susceptible to over-exploitation. Although BFT have been targeted by fisheries in the Mediterranean Sea for thousands of years, it has only been in these last decades that the exploitation rate has reached far beyond sustainable levels. An understanding of the population structure, spatial dynamics, exploitation rates and the environmental variables that affect BFT is crucial for the conservation of the species. The aims of this PhD project were 1) to assess the accuracy of larval identification methods, 2) determine the genetic structure of modern BFT populations, 3) assess the self-recruitment rate in the Gulf of Mexico and Mediterranean spawning areas, 4) estimate the immigration rate of BFT to feeding aggregations from the various spawning areas, and 5) develop tools capable of investigating the temporal stability of population structuring in the Mediterranean Sea. Several weaknesses in modern morphology-based taxonomy including demographic decline of expert taxonomists, flawed identification keys, reluctance of the taxonomic community to embrace advances in digital communications and a general scarcity of modern user-friendly materials are reviewed. Barcoding of scombrid larvae revealed important differences in the accuracy of the taxonomic identifications carried out by different ichthyoplanktologists following morphology-based methods. Using a Genotyping-by-Sequencing a panel of 95 SNPs was developed and used to characterize the population structuring of BFT and composition of adult feeding aggregations. Using novel molecular techniques, DNA was extracted from bluefin tuna vertebrae excavated from late iron age, ancient roman settlements Byzantine-era Constantinople and a 20th century collection. A second panel of 96 SNPs was developed to genotype historical and modern samples in order to elucidate changes in population structuring and allele frequencies of loci associated with selective traits.

Analysis of cumulative effects of multiple stressors on saltmarshes and consideration of management options

Natural systems face pressures exerted by natural physical-chemical forcings and a myriad of co-occurring human stressors that may interact to cause larger than expected effects, thereby presenting a challenge to ecosystem management. This thesis aimed to develop new information that can contribute to reduce the existing knowledge gaps hampering the holistic management of multiple stressors. I undertook a review of the state-of-the-art methods to detect, quantify and predict stressor interactions, identifying techniques that could be applied in this thesis research. Then, I conducted a systematic review of saltmarsh multiple stressor studies in conjunction with a multiple stressor mapping exercise for the study system in order to infer potential important synergistic stressor interactions. This analysis identified key stressors that are affecting the study system, but also pointed to data gaps in terms of driver and pressure data and raised issues for potentially overlooked stressors. Using field mesocosms, I explored how a local stressor (nutrient availability) affects the responses of saltmarsh vegetation to a global stressor (increased inundation) in different soil types. Results indicate that saltmarsh vegetation would be more drastically affected by increased inundation in low than in medium organic matter soils, and especially in estuaries already under high nutrient availability. In another field experiment, I examined the challenges of managing co-occurring and potentially interacting local stressors on saltmarsh vegetation: recreational trampling and smothering by deposition of excess macroalgal wrack due to high nutrient loads. Trampling and wrack prevention had interacting effects, causing non-linear responses of the vegetation to simulated management of these stressors, such that vegetation recovered only in those treatments simulating the combined prevention of both stressors. During this research I detected, using molecular genetic methods, a widespread presence of S. anglica (and to a lesser extent S. townsendii), two previously unrecorded non-native Spartinas in the study areas.

Progettazione di Data Warehouse di dati genomici su piattaforma Hadoop

Negli ultimi anni la biologia ha fatto ricorso in misura sempre maggiore all’informatica per affrontare analisi complesse che prevedono l’utilizzo di grandi quantità di dati. Fra le scienze biologiche che prevedono l’elaborazione di una mole di dati notevole c’è la genomica, una branca della biologia molecolare che si occupa dello studio di struttura, contenuto, funzione ed evoluzione del genoma degli organismi viventi. I sistemi di data warehouse sono una tecnologia informatica che ben si adatta a supportare determinati tipi di analisi in ambito genomico perché consentono di effettuare analisi esplorative e dinamiche, analisi che si rivelano utili quando si vogliono ricavare informazioni di sintesi a partire da una grande quantità di dati e quando si vogliono esplorare prospettive e livelli di dettaglio diversi. Il lavoro di tesi si colloca all’interno di un progetto più ampio riguardante la progettazione di un data warehouse in ambito genomico. Le analisi effettuate hanno portato alla scoperta di dipendenze funzionali e di conseguenza alla definizione di una gerarchia nei dati. Attraverso l’inserimento di tale gerarchia in un modello multidimensionale relativo ai dati genomici sarà possibile ampliare il raggio delle analisi da poter eseguire sul data warehouse introducendo un contenuto informativo ulteriore riguardante le caratteristiche dei pazienti. I passi effettuati in questo lavoro di tesi sono stati prima di tutto il caricamento e filtraggio dei dati. Il fulcro del lavoro di tesi è stata l’implementazione di un algoritmo per la scoperta di dipendenze funzionali con lo scopo di ricavare dai dati una gerarchia. Nell’ultima fase del lavoro di tesi si è inserita la gerarchia ricavata all’interno di un modello multidimensionale preesistente. L’intero lavoro di tesi è stato svolto attraverso l’utilizzo di Apache Spark e Apache Hadoop.

Attività scientifiche del progetto Développement des Interventions innovantes sur les cépages de Vignes autochtones pour l’INtégration italo-tunisienne – DIVIN (PS1.1.002)”

Il progetto DIVIN, finanziato dal Programma di Cooperazione Transfrontaliera Italia Tunisia, è coordinato dall'Istituto per l’Ambiente Marino Costiero del Consiglio Nazionale delle Ricerche - IAMC-CNR (Bénéficiaire) UOS di Capo Granitola e coinvolge l' Istituto di Bioscienze e Biorisorse – IBBR (P1) del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR), il Centro di Biotecnologie di Borj - Cedria - CBBC (P2) L'Institut National de la Recherche Agronomique de Tunisie – INRAT (P3), La Direction Générale de la Production Agricole – DGPA (P4) e L’Associazione “Strada del vino Alcamo Doc” (P5). Il finanziamento complessivo è stato pari a € 674.107,06 e le attività si sono svolte a partire da novembre 2013 per concludersi a luglio 2016. Si è trattato di una prodigiosa opportunità per potenziare e valorizzare le eccellenze scientifiche in campo vitivinicolo e per consolidare la collaborazione tra Italia e Tunisia sulla produzione di vini di qualità e sul lancio di itinerari enoturistici che mettano in dialogo permanente le due sponde del mediterraneo. Il progetto, ha avuto la durata di 31 mesi e ha investito sullo sviluppo di ricerche e soluzioni tecnologiche per prevenire e curare le patologie della vite e per certificare e tracciare la qualità del vino prodotto in Italia e in Tunisia. I benefici del progetto hanno avuto ricadute anche su tutti i territori dell'area di cooperazione in quanto, nella parte finale del progetto, si sono sviluppate azioni di marketing congiunte per la creazione di un marchio d'area e l'ampliamento delle esperienze delle "strade del vino" per creare itinerari turistici tematici che colleghino le zone di produzione siciliane e quelle tunisine.

Nuove specie per l'acquacoltura: tecniche di produzione di novellame di Sardina pilchardus

Il progetto all’interno del quale si è inserita l' attività "Sperimentare in acquacoltura il novellame di Sardina pilchardus" è il Progetto Ritmare (La Ricerca Italiana per il Mare). Il progetto Ritmare è un progetto strategico per la ricerca sul mare in Italia, che vuole coniugare le risorse ambientali del mare con l’uso connesso alle attività produttive e allo sfruttamento energetico delle sue risorse, sviluppando tecnologie ed innovazione e, al tempo stesso, promuovendone la sua conoscenza e il rispetto. In tale contesto il progetto mira a sperimentare in acquacoltura il novellame di sardina, prodotto agroalimentare tradizionalmente consumato e molto richiesto nei paesi rivieraschi del Mediterraneo. ll novellame per anni è stato pescato in modo puntuale ma per la bassissima sostenibilità e per l’impatto sugli stock adulti, la comunità europea ne ha deciso la sospensione. Il progetto vuole tentare di reintegrare il prodotto sul mercato attraverso una produzione sostenibile, evitando la perdita culturale. Saranno indagate le caratteristiche organolettiche del prodotto per promuoverne il consumo e verificate le ricadute industriali attraverso la realizzazione di un Business plan.

Development of a simple and fast “DNA extraction kit” for sea food identification and marine species

Seafood products fraud, the misrepresentation of them, have been discovered all around the world in different forms as false labeling, species substitution, short-weighting or over glazing in order to hide the correct identity, origin or weight of the seafood products. Due to the value of seafood products such as canned tuna, swordfish or grouper, these species are the subject of the commercial fraud is mainly there placement of valuable species with other little or no value species. A similar situation occurs with the shelled shrimp or shellfish that are reduced into pieces for the commercialization. Food fraud by species substitution is an emerging risk given the increasingly global food supply chain and the potential food safety issues. Economic food fraud is committed when food is deliberately placed on the market, for financial gain deceiving consumers (Woolfe, M. & Primrose, S. 2004). As a result of the increased demand and the globalization of the seafood supply, more fish species are encountered in the market. In this scenary, it becomes essential to unequivocally identify the species. The traditional taxonomy, based primarily on identification keys of species, has shown a number of limitations in the use of the distinctive features in many animal taxa, amplified when fish, crustacean or shellfish are commercially transformed. Many fish species show a similar texture, thus the certification of fish products is particularly important when fishes have undergone procedures which affect the overall anatomical structure, such as heading, slicing or filleting (Marko et al., 2004). The absence of morphological traits, a main characteristic usually used to identify animal species, represents a challenge and molecular identification methods are required. Among them, DNA-based methods are more frequently employed for food authentication (Lockley & Bardsley, 2000). In addition to food authentication and traceability, studies of taxonomy, population and conservation genetics as well as analysis of dietary habits and prey selection, also rely on genetic analyses including the DNA barcoding technology (Arroyave & Stiassny, 2014; Galimberti et al., 2013; Mafra, Ferreira, & Oliveira, 2008; Nicolé et al., 2012; Rasmussen & Morrissey, 2008), consisting in PCR amplification and sequencing of a COI mitochondrial gene specific region. The system proposed by P. Hebert et al. (2003) locates inside the mitochondrial COI gene (cytochrome oxidase subunit I) the bioidentification system useful in taxonomic identification of species (Lo Brutto et al., 2007). The COI region, used for genetic identification - DNA barcode - is short enough to allow, with the current technology, to decode sequence (the pairs of nucleotide bases) in a single step. Despite, this region only represents a tiny fraction of the mitochondrial DNA content in each cell, the COI region has sufficient variability to distinguish the majority of species among them (Biondo et al. 2016). This technique has been already employed to address the demand of assessing the actual identity and/or provenance of marketed products, as well as to unmask mislabelling and fraudulent substitutions, difficult to detect especially in manufactured seafood (Barbuto et al., 2010; Galimberti et al., 2013; Filonzi, Chiesa, Vaghi, & Nonnis Marzano, 2010). Nowadays,the research concerns the use of genetic markers to identify not only the species and/or varieties of fish, but also to identify molecular characters able to trace the origin and to provide an effective control tool forproducers and consumers as a supply chain in agreementwith local regulations.

Formazione delle galassie e cenni sulla loro evoluzione

In questa tesi si vuole fornire una panoramica generale dei processi di formazione delle galassie, con l'aggiunta di alcuni cenni sulla loro evoluzione. Nel primo capitolo si danno alcune informazioni sulla natura di questi oggetti e su come è stata scoperta la loro esistenza. Poi, utilizzando le premesse di cui al capitolo 2, nel capitolo 3 si passa alla spiegazione della loro formazione a partire dagli eventi successivi al Big Bang, di cui si fornisce una breve cronologia. Nel capitolo 4 si dà una panoramica della formazione degli ammassi di galassie e si discute di alcune osservazioni compiute su di essi, per concludere con considerazioni sul loro futuro. Infine, nell'ultimo capitolo ci si concentra sull'evoluzione delle galassie, in particolare sui processi di merging e sulle collisioni.

Le società pubbliche a partecipazione regionale e locale operanti nei settori dei servizi pubblici locali e dei servizi “strumentali” e quelle con scopo lucrativo: la recente evoluzione legislativa, gli ambiti di attività ed i relativi limiti, le prospettive future.

Con la prima parte, si intende fornire un quadro pressoché esaustivo delle principali disposizioni in materia di società a partecipazione pubblica regionale e locale operanti nel campo dei servizi pubblici locali e della loro interpretazione giurisprudenziale e dottrinale, prendendo le mosse dagli ultimi interventi legislativo. Nella seconda parte, si affronta, invece, il tema dei limiti legislativi alla capacità di azione delle società a partecipazione pubblica e dei connessi dubbi interpretativi, anche alla luce degli orientamenti giurisprudenziali e dottrinali. In particolare, l’analisi riguarda l’art. 13 del decreto”Bersani” e il comma 9 dell’art. 23 bis (ora pedissequamente trasfuso nel comma 33 dell’art. 4 del d.l. n. 138/2011), ossia le principali disposizioni che definiscono, rispettivamente, la capacità di azione delle società (a partecipazione pubblica) strumentali e di quelle operanti nel campo dei servizi pubblici locali titolari di affidamenti diretti (assentiti con modalità diverse dall’evidenza pubblica). Vengono forniti cenni di inquadramento in relazione al cd. procedimento di riordino delle partecipazioni societarie pubbliche previsto dalla legge finanziaria del 2008 (art. 3, commi 27 – 32). Dal combinato disposto delle suddette norme, così come interpretate dalla giurisprudenza costituzionale ed amministrativa, si ricavano, poi, utili indicazioni in ordine alla possibilità, per gli enti pubblici territoriali, di costituire società con scopo meramente lucrativo (ossia, soggetti societari privi del rapporto di strumentalità con gli enti costituenti o partecipanti, chiamati ad operare, in regime di concorrenza, in settori completamente liberalizzati) e società cd. multiutilities (aventi oggetto sociale complesso, la cui attività si estrinseca tanto nel campo dei servizi strumentali, quanto in quello dei servizi pubblici locali), nonché in relazione alla disciplina applicabile all’attività di detti soggetti societari. La finalità ultima del contributo consiste nell'individuazione delle linee guida finalizzate alla classificazione delle società pubbliche in funzione della loro attività.

Dinamica delle galassie a spirale e delle galassie ellittiche

Questa tesi è una panoramica di alcuni concetti base su cui si fonda la dinamica delle galassie. Nel primo capitolo vengono messi in evidenza i concetti più generali dal punto di vista morfologico- strutturale attraverso la classificazione di Hubble. Nel secondo capitolo si mette in evidenza come un sistema possa essere definito non collisionale (attraverso la stima del tempo di rilassamento ai due corpi) e le conseguenze che ne derivano come, per esempio, l' anisotropia dello stesso sistema che conferisce alla galassia la sua classica forma “schiacciata”. Vengono poi descritti la collisional Boltzmann equation (CBE) e il teorema del viriale in forma tensoriale . Integrando la CBE nello spazio delle velocità otteniamo tre equazioni note come equazioni di Jeans: queste hanno una struttura del tutto identica a quelle della fluidodinamica ma con alcune eccezioni significative che non permettono di descrivere completamente la dinamica delle galassie attraverso la fluidodinamica. Il terzo capitolo è un excursus generale sulle galassie ellittiche: dalla loro struttura alla loro dinamica. Dall' applicazione del teorema del viriale ad un sistema ellittico si può notare come la forma “schiacciata” delle galassie sia una conseguenza dell' anisotropia del sistema e sia dovuta solo in minima parte alla rotazione. Successivamente viene presentato un modello galattico (quello di Jeans), che ci permette di calcolare una distribuzione di massa del sistema attraverso un' equazione che purtroppo non ha soluzione unica e quindi ci rende impossibile calcolare il rapporto massa- luminosità. Infine viene descritto il fundamental plane che è una relazione empirica tale per cui ad ogni galassia viene associato un determinato valore di raggio effettivo, dispersione di velocità e luminosità. Nel quarto ed ultimo capitolo viene trattata la dinamica delle parti più esterne di una galassia: disco e bracci. La dinamica del disco è descritta attraverso la curva di rotazione che, come vedremo, ha delle caratteristiche abbastanza diverse da una curva di rotazione di tipo kepleriano (quella che ad esempio descrive l' andamento della velocità in funzione della distanza nel nostro sistema solare). Infine viene descritta la dinamica dei bracci e la teoria delle onde di densità di Lin e Shu, due astronomi americani, che riesce a descrivere compiutamente la nascita e l' evoluzione dei bracci a spirale.