Ecologia microbica molecolare

Come fanno i batteri a vivere quando non sono in un laboratorio ma in natura?

Questa è la domanda cruciale, ed ancora poco risolta, dellecologia microbica.

Perché molecolare?

Perché i batteri esplicano le loro funzioni mediante molecole, in particolare geni, che permettono la colonizzazione degli ambienti e mediano linterazione con gli altri organismi. Studiare i geni in un ambiente significa perciò studiare i batteri che possiedono quei geni, la loro tassonomia (quali specie sono) ed il loro metabolismo (cosa fanno). Inoltre, dato molto importante, solo l'1% circa dei batteri che vivono in un ambiente si possono isolare e coltivare nelle comuni condizioni di laboratorio. Studiare direttamente il loro DNA ed RNA, senza coltivarli in laboratorio, significa quindi poter avere accesso a batteri mai osservati prima e dalle caratteristiche metaboliche uniche.

In questo contesto, a fronte delle migliaia di ambienti che è possibile esplorare, il nostro interesse si concentra su due particolari nicchie ecologiche:

1) Le popolazioni naturali del batterio azotofissatore simbionte Sinorhizobium meliloti (vedi anche la parte di Genomica batterica).

2) Le comunità batteriche del suolo.

3) Le comunità batteriche associate alle piante resistenti ai metalli pesanti.

1) ECOLOGIA MOLECOLARE DI S. MELILOTI

Il modello del ciclo vitale di S. meliloti prevede che i batteri presenti nel suolo interagiscano formando noduli radicali (vedi foto) con le radici delle leguminose, le quali traggono vantaggio dallazoto fissato dai batteri per la crescita e la produzione dei semi. I batteri in cambio ricevono gli zuccheri prodotti dalla fotosintesi della pianta. I batteri presenti nei noduli saranno liberati alla fine del ciclo biologico della pianta e si ritroveranno liberi nel suolo. A questo quadro però negli ultimi anni si sono aggiunti nuovi elementi: S. meliloti lo troviamo anche nelle foglie delle piante di riso e di altre specie non leguminose: è cioè un endofita.

Di conseguenza emergono due possibili domande:
1) Lendofitismo è una tappa chiave del ciclo vitale di questa specie e quindi della sua ecologia o le piante sono solo una delle tante fonti di carbonio utilizzabili dai batteri?
2) Quali sono le relazioni ecologiche (e genetiche) tra endofitisimo e azotofissazione? 

Che cosa stiamo studiando:

a) Nuovi marcatori molecolari per identificare, quantificare e determinare il polimorfismo genetico delle popolazioni naturali di S. meliloti senza dover isolarli dal suolo (procedura lunga e che prevede la nodulazione con piante trappola) [da poco pubblicati: Trabelsi et al. Mol Ecol Rep 2010; Trabelsi et al. Lett Appl Microbiol 2009]

b) Esperimenti in vivo ed in vitro per analizzare le capacità endofitiche di ceppi ambientali, anche attraverso GFP-tagging.

c) Analisi delle popolazioni mediante i marcatori molecolari in esperimenti controllati ed in natura.

d) Studio del genoma dei ceppi ambientali per identificare caratteristiche genetiche legate allendotifismo (vedi anche Genomica batterica)

2) COMUNITA BATTERICHE DEL SUOLO

I batteri (seppur non osservabili a occhio nudo) costituiscono la maggior parte della biodiversità. In particolare nel suolo è presente la frazione più grande della biodiversità microbica (in un grammo di terra si possono trovare fino a 10 miliardi di batteri appartenenti a milioni di specie diverse).

I batteri del suolo svolgono importantissime funzioni legate ai cicli degli elementi nella biosfera, quali il ciclo del carbonio, dell'azoto e dello zolfo e la loro presenza condiziona in modo positivo la fertilità agricola dei suoli. In modo particolare il ciclo dell'azoto è strettamente legato alla capacità, da parte dell'"ecosistema suolo", di fornire un supporto alla crescita della piante in condizioni "ecosostenibili", cioè con un basso uso di fertilizzanti azotati di sintesi chimica.

La struttura tassonomica e le attività funzionali dei batteri sono fortemente influenzate dalle condizioni ambientali del suolo (fisico-chimiche, presenza di piante, pratiche agricole ecc.)

Che cosa stiamo studiando: 

Nell'ambito di un progetto di ricerca denominato Soil-Sink (Cambiamenti Climatici e Sistemi Produttivi Agricoli e Forestali: Impatto sulle Riserve di Carbonio e sulla Diversità Microbica del Suolo) stiamo analizzando la diversità genetica legata ai batteri coinvolti nel ciclo dell'azoto mediante fingerprinting T-RFLP, clonaggio e sequenziamento del DNA in suoli italiani nella Marche ed in Sardegna soggetti a diverse pratiche agricole (lavorazione del terreno, fertilizzazione ecc.).

Recentemente il nostro gruppo ha partecipato ai lavori preliminari di costituzione del Consorzio Internazionale "Terragenome" dedicato allo studio del metagenoma del suolo. 

3) COMUNITA BATTERICHE NELLE PIANTE RESISTENTI AI METALLI

I metalli pesanti sono tra gli inquinanti ambientali più tossici e recalcitranti ed hanno molteplici effetti sugli organismi viventi sia eucarioti che batteri ed archei (danneggiamento delle membrane biologiche, danni alle proteine,alterazione della funzionalità proteica, mutazioni nel DNA). Nel corso dei tempi evolutivi possono comparire organismi resistenti ai metalli pesanti che presentano enzimi ed attività metaboliche in grado di detossificare il citoplasma.
Uno degli ambienti che presentano il più alto numero di organismi resistenti ai metalli pesanti sono gli affioramenti serpentinosi (nell foto sotto l'area serpentinosa di Galceti, Prato), caratterizzati da rocce naturalmente ricche di metalli quali ferro, nichel, cobalto ecc. Uno delle caratteristiche più studiate degli organismi presenti sui siti serpentinosi riguarda la presenza di piante endemiche in grado di tollerare elevate concentrazioni di metalli pesanti e di bioaccumularli ad alti livelli nel fusto e nelle foglie (proprietà indicata con il temine di iperaccumulo).
E i batteri? Si conoscono alcuni ceppi resistenti ai metalli isolati da questi ambienti, alcuni dei quali associati con le piante iperaccumulatrici ed in grado di aumentarne il livello di tolleranza ed iperaccumulo. Sono ancora poco noti i geni che conferiscono la resistenza ai metalli e quali siano i rapporti fisiologici e molecolari tra le comunità batteriche e le piante iperaccumulatrici.

Negli ultimi anni ci siamo occupati dellevoluzione di specie e popolazioni di piante e dei batteri associati con alcune specie di piante iperaccumulatrici (Mengoni et al. Mol Ecol 2000;

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