Decodificare la dinamica delle comunità microbiche
Il microbiota, la comunità di batteri, funghi e i protisti(si apre in una nuova finestra) che vivono all’interno e sulla superficie di organismi superiori, svolge un ruolo fondamentale per la salute degli esseri che li ospitano: questi minuscoli organismi contribuiscono infatti alle funzioni vitali di piante e animali, ma in determinate condizioni possono anche provocare danni. Una migliore comprensione dell’olobionte, la rete di interazioni complesse messe in atto tra organismo ospitante e microbiota, offre un nuovo approccio alla protezione dei sistemi alimentari. Il progetto DeCoCt(si apre in una nuova finestra), finanziato dal CER, ha sfruttato alcuni strumenti per lo studio della genetica e un ampio set di dati longitudinali associati all’Arabidopsis thaliana, una pianta della famiglia della senape ampiamente studiata, allo scopo di comprendere in maniera migliore il modo in cui le comunità microbiche possano proteggere le colture.
Stabilità microbica
Le comunità microbiche comprendono spesso patogeni facoltativi, ovvero organismi che di solito coesistono in modo innocuo con l’organismo ospitante ma che, in determinate condizioni di stress, possono essere origine di malattie. Secondo un’ipotesi centrale formulata dal progetto, le comunità microbiche stabili conferirebbero resilienza a tale organismo. Tra le condizioni di stress figurano temperature e umidità estreme. I ricercatori hanno esplorato le modalità attraverso cui questi fattori esterni, combinati con la genetica dell’organismo ospitante e le interazioni biotiche, sono causa di variazioni dannose nella comunità microbica. DeCoCt ha analizzato una serie di dati decennali riguardanti l’Arabidopsis thaliana in condizioni di campo congiuntamente a dati satellitari ad alta risoluzione relativi alle condizioni ambientali. «Un’intuizione centrale riguarda il fatto che la stabilità e la persistenza nel microbiota sono proprietà emergenti, modellate dalle interazioni tra i microbi, l’organismo ospitante e le condizioni ambientali. La composizione del microbiota deriva da un equilibrio dinamico di pressioni interne ed esterne», condivide Eric Kemen, coordinatore del progetto e ricercatore presso l’Università di Tubinga(si apre in una nuova finestra).
Analizzare le dinamiche del microbiota
L’olobionte è un sistema complesso le cui dinamiche chiave si verificano a livello cellulare o chimico; gli scienziati, pertanto, devono tenere conto di queste minuscole interazioni per verificare le proprie ipotesi. A tal fine DeCoCt ha utilizzato una serie di modelli, oltre a tecniche di apprendimento automatico e di analisi genetica. Il progetto ha combinato studi pluriennali sul campo ed esperimenti di laboratorio gnotobiotici in cui i microrganismi venivano controllati; i microbi sono stati profilati utilizzando una tecnica genetica chiamata sequenziamento di ampliconi, che ha permesso agli scienziati di seguire gli organismi nel corso del tempo e nei comparti vegetali. Tra le altre tecniche per lo studio delle caratteristiche cellulari e molecolari del microbiota utilizzate spiccano il sequenziamento dell’intero genoma, la metabolomica e la proteomica. Reti di co-occorrenza microbica e modelli lineari sono stati utilizzati per valutare le risposte microbiche, mentre l’apprendimento automatico e il filtraggio basato sulla rete sono stati impiegati al fine di selezionare i candidati microbici per i sistemi gnotobiotici. L’approccio multiforme adottato dal progetto ha consentito di ricavare risultati positivi. «Integrando 10 anni di dati sul microbioma e sull’organismo ospitante possiamo ora dare priorità ai microbi con un’elevata rilevanza ecologica, ovvero a quelli che persistono attraverso le stagioni e i siti e che contribuiscono alla stabilità delle comunità microbiche associate alle piante», spiega Kemen.
Comunità microbiche sintetiche
Per comprendere in maniera migliore i fattori che determinano la dinamica degli olobionti sono state necessarie competenze specifiche, mentre le tecniche applicate hanno aperto la strada alla manipolazione del microbiota in modo da promuovere la salute vegetale. DeCoCt ha coltivato comunità microbiche sintetiche (SynCom) con una serie centrale di microbi, tra cui specie di Pseudomonas, per la protezione delle piante. Alcuni ceppi di Pseudomonas sono stati testati per verificarne la capacità di stabilizzare le comunità e sopprimere il comportamento antagonista; ciononostante, i loro effetti dipendono dal contesto e variano in base alla composizione della comunità. Oltre a coltivare le SynCom nell’Arabidopsis thaliana, il progetto ha studiato le loro prestazioni nel Lotus corniculatus, una leguminosa. Sebbene le applicazioni alle colture non rientrassero nell’ambito del progetto, gli approcci adottati da DeCoCt vengono studiati nelle piante di riso attraverso collaborazioni attualmente in corso. Le serie di dati e il quadro concettuale del progetto sono molto promettenti in vista della necessità di garantire un futuro sano e stabile per la produzione alimentare.