ATENEO CN - non associata a curriculum
- CN2, Centro Nazionale di Ricerca Tecnologie dell’agricoltura (Agritech), Spoke 7 - Integrated models for the development of marginal areas to promote multifunctional production systems enhancing agroecological and socio-economic sustainability Integrated models for the development of marginal areas to promote multifunctional production systems enhancing agroecological and socio-economic sustainability
Ente finanziatore: Sapienza Università degli Studi di Roma
Competenze richieste: Competenze attinenti alla tematica. Le competenze interdisciplinari sono valutate positivamente.
- CN2, Centro Nazionale di Ricerca Tecnologie dell’agricoltura (Agritech), Spoke 7 - Integrated models for the development of marginal areas to promote multifunctional production systems enhancing agroecological and socio-economic sustainability Integrated models for the development of marginal areas to promote multifunctional production systems enhancing agroecological and socio-economic sustainability
Funded by: Sapienza Università degli Studi di Roma
Required skills: Skills related to the topic. Interdisciplinary skills are positively evaluated.
Descrizione: Una posizione: Conversione su base biologica di biomasse di scarto agricolo in prodotti per la protezione sostenibile delle colture.
Le malattie delle piante causano ingenti perdite di raccolto in tutto il mondo e compromettono la sicurezza alimentare a causa della presenza di tossine associate alla contaminazione fungina. Il controllo chimico degli agenti patogeni può avere ripercussioni negative sull'ambiente e sulla salute umana e animale, mentre la resistenza genetica non è duratura, poiché gli agenti patogeni si evolvono rapidamente per eluderla. L'agricoltura e l'industria alimentare generano enormi quantità di rifiuti organici. Questi materiali rappresentano un potenziale serbatoio di prodotti bioattivi, tra cui elicitori oligosaccaridici (OE) in grado di attivare le risposte di difesa naturale delle piante contro i patogeni.
Il progetto mira a sviluppare una strategia sostenibile per il controllo delle malattie delle colture utilizzando OEs derivati da biomasse lignocellulosiche di piante aromatiche e di indagare i meccanismi biologici che regolano la resistenza indotta dagli OE nelle piante.
In particolare, dopo l'estrazione dei metaboliti di interesse, la biomassa vegetale residua sarà sottoposta a trattamenti chimico-fisici o a un pretrattamento "bio-based" con funghi ligninolitici per degradare parzialmente le pareti cellulari, generando oligosaccaridi e aumentandone l'estraibilità.
Le biomasse pretrattate saranno poi sottoposte a frazionamento utilizzando approcci a basso impatto. Le frazioni saranno inizialmente testate in vitro per la loro capacità di indurre risposte di difesa e proteggere dalle infezioni microbiche nella pianta modello Arabidopsis thaliana, e caratterizzate biochimicamente per la presenza di OE noti derivati sia dalla biomassa stessa (oligogalatturonidi, cellodestrine) che dalle fungo (chitooligosaccaridi).
Le frazioni più attive saranno testate su piante coltivate (pomodoro e/o specie Brassicaceae) e saranno determinati i loro effetti, in termini di crescita, produttività e resistenza allo stress biotico.. Per ottenere informazioni sulle basi molecolari della resistenza indotta da OE, saranno identificati geni differenzialmente regolati durante l'infezione fungina in piante di Arabidopsis pretrattate con acqua o OE e sarà valutato il loro ruolo nell'immunità basale e nella regolazione della resistenza indotta da OE con tecniche di genetica inversa. Saranno, inoltre determinati i cambiamenti nei livelli di ormoni e composti correlati alla difesa nelle piante WT e mutanti dopo l'elicitazione, (sia in assenza che in presenza di patogeni) per correlare tali cambiamenti con la resistenza indotta. Inoltre, sarà studiato l'impatto degli elicitori sui microrganismi benefici e come questi possano influenzare l'accumulo di metaboliti nelle piante aromatiche e sulla composizione della parete cellulare.
I risultati ottenuti consentiranno la valorizzazione delle biomasse vegetali generate dal settore agroalimentare, sviluppando una strategia sostenibile di protezione delle colture e forniranno conoscenze essenziali per implementare l'uso degli OE in agricoltura, riducendo dunque la necessità di pesticidi.
Description: One position: Bio-based conversion of agricultural waste biomasses into products for sustainable crop protection.
Plant diseases cause substantial crop losses worldwide and compromise food safety
because of the presence of toxins associated to fungal contamination. Chemical control of
pathogens can have negative repercussions on the environment as well as human and
animal health, whereas genetic resistance is not durable, as pathogens rapidly evolve to
evade it. A huge amount of organic waste is generated by agriculture and the food
industries. These materials represent a potential reservoir of bioactive products, including
oligosaccharide elicitors (OEs) capable of activating the natural defense responses of
plants against pathogens. The project aims to develop a sustainable strategy to control
crop diseases using OEs derived from lignocellulosic biomass from aromatic plants and to
investigate the biological mechanisms regulating OE-induced resistance in plants. In
particular, after extraction of metabolites of interest, residual plant biomass will be
subjected to either chemical-physical treatments or a "bio-based" pre-treatment with
ligninolytic fungi to partially degrade cell walls, generating oligosaccharides and increasing
their extractability. Pre-treated biomasses will be then subjected to fractionation using lowimpact
approaches. The fractions will be initially tested in vitro for their ability to induce
defense responses and protect against microbial infections in the model plant Arabidopsis
thaliana, and biochemically characterized for the presence of known OEs derived both
from the biomass itself (oligogalacturonides, cellodextrins) and from the fungus
(chitooligosaccharides). The most active fractions will be tested on crop plants (tomato,
Brassicaceae species) and their effects, in terms of growth, productivity and resistance to
biotic stress, will be determined. To gain insights in the molecular basis of OE-induced
resistance, genes differentially regulated during fungal infection in Arabidopsis plants pretreated
with water or OE will be identified and their role in basal immunity and in the
regulation of elicitor-induced resistance will be evaluated by reverse genetics. Changes in
the levels of hormones and defense-related compounds in WT and mutant plants after
elicitation, both in the absence and in the presence of pathogens, will be determined to
correlate them with induced resistance. In addition, the impact of elicitors, beneficial
microorganisms and their combination on aromatic plant metabolite accumulation and cell
wall composition will be investigated. The obtained results will allow the valorisation of
plant biomasses generated by the agri-food sector, developing a sustainable crop
protection strategy, and will provide knowledge essential to implement the use of OEs in
agriculture, reducing the need for pesticides.
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PNRR351 - non associata a curriculum
- Assegnazione di nuovi dottorati triennali in programmi dedicati alle transizioni digitali e ambientali
Competenze richieste: Competenze attinenti alla tematica. Sono valutate positivamente competenze interdisciplinari.
- Awarding of new three-year doctorates in programs dedicated to digital and environmental transitions
Required skills: Skills related to the topic. Interdisciplinary skills are positively evaluated.
Descrizione: La crescente pressione antropica, il cambiamento climatico in atto e l'intensificarsi di eventi estremi sono fattori che espongono le colture e le piante in genere a stress abiotici e biotici insoliti e imprevedibili, anormali per intensità, frequenza e durata. Le malattie delle piante sono una delle principali cause di perdite economiche, diminuzione della resa e contaminazione da tossine dei prodotti alimentari. Al giorno d'oggi quasi il 40% della produzione mondiale di colture va perduta a causa di parassiti e malattie. A causa di condizioni di crescita non ottimali, le piante sviluppano una maggiore vulnerabilità ai patogeni microbici e agli insetti. Due obiettivi principali stanno diventando cruciali per affrontare queste sfide:
1) Ridurre le perdite agricole e aumentare la disponibilità e la qualità del cibo
2) Genera un ambiente più pulito
Come indicato nel documento “Il futuro della protezione delle colture in Europa” [https://www.europarl.europa.eu/RegData/etudes/STUD/2021/656330/EPRS_STU(2021)656330_EN.pdf], “la protezione delle colture è essenziale per la produzione efficiente delle colture e dei loro prodotti. Impedisce alle colture di essere danneggiate da parassiti, agenti patogeni ed erbe infestanti, con conseguente riduzione della resa e della qualità del prodotto. Contribuisce alla produzione alimentare e alla sicurezza alimentare, a vantaggio dei consumatori e della società, e sostiene i redditi degli agricoltori”.
Il controllo delle malattie e dei parassiti degli insetti si basa sull'uso di prodotti fitosanitari (PPP) pericolosi per l'ambiente. L'uso dei PPP è altamente problematico ed è oggetto di un intenso dibattito. Gli agricoltori desiderano ridurre la loro dipendenza dai prodotti fitosanitari chimici e chiedono metodi alternativi di protezione delle colture.
Una promettente strategia di controllo delle malattie e degli effetti dello stress ambientale è il miglioramento della resistenza naturale delle piante. Tuttavia, esiste un compromesso tra difesa della crescita che in molti casi si traduce in una diminuzione della crescita delle piante e della resa delle colture. Pertanto, pur potenziando il potenziale difensivo delle piante, è importante non pregiudicare in modo significativo le prestazioni fisiologiche delle piante.
Diverse molecole vegetali, che vengono normalmente rilasciate in caso di infezione da agenti patogeni o lesioni meccaniche, hanno la capacità di aumentare la resistenza delle piante agli agenti patogeni. Queste sono note come “Damage-Associated Molecular Patterns” (DAMP). DAMP ben noti sono gli oligogalatturonidi (OG) e le cellodestrine (CD), ovvero frammenti di parete cellulare derivati rispettivamente dalla degradazione della pectina e della cellulosa. Gli OG inducono non solo resistenza locale ma anche sistemica contro gli agenti patogeni. È probabile che lo stesso sia vero per le CD. Un controllo omeostatico di OG e CD è svolto da specifiche ossidasi OGOX e CELLOX, che appartengono alla superfamiglia Berberine Bridge Enzyme-like (BBEl). OGOX e CELLOX agiscono sull'estremità riducente degli oligosaccaridi, ne smorzano l'azione quali elicitori e prevengono gli effetti deleteri del loro sovraccumulo.
Il ruolo di OG, CD e della loro ossidazione mediata da BBEl nella protezione delle piante deve ancora essere completamente chiarito. OG e CD, da soli o in combinazione, possono essere utili per sviluppare prodotti fitosanitari più rispettosi dell'ambiente rispetto agli agrofarmaci convenzionali, e possono essere potenzialmente utilizzati in agricoltura biologica. Attualmente sul mercato sono presenti pochi bioprodotti ben caratterizzati con prestazioni affidabili, a causa di una conoscenza limitata del loro modo di agire.
Inoltre, è noto che la salute delle piante è spesso modulata da una comunità ricca e diversificata di batteri e funghi del suolo (microbiota del suolo). Il microbiota del suolo modula la suscettibilità dell'ospite ai patogeni provocando o smorzando la risposta immunitaria della pianta, un'interazione che probabilmente protegge la pianta dalla perturbazione dei patogeni e dall'inibizione della crescita associata alla difesa. È ipotizzabile che l'attivazione dell'immunità delle piante da parte dei DAMP influenzi anche la composizione e la qualità dei microbi associati alle radici delle piante. L'obiettivo di questo progetto è studiare l'interazione tra OG, CD e la loro ossidazione mediata da BBEl non solo nell'immunità delle piante, ma anche nella costituzione di un microbiota benefico associato alle radici.
Description: The growing anthropogenic pressure, the ongoing climate change and the intensification of extreme events are factors that expose crops and plants in general to unusual and unpredictable abiotic and biotic stresses that are abnormal in intensity, frequency, and duration. Plant diseases are a major cause of economic losses, decreased yield, and toxin contamination of food products. Nowadays near 40% of worldwide crop production is lost due to pests and diseases. As a result of non-optimal growth conditions, plants develop an increased vulnerability to microbial pathogens and insects. Two main goals are becoming crucial to face these challenges:
1) Reduce agricultural losses and increase food availability and quality
2) Generate a cleaner environment
As indicated in the document “The future of Crop Protection in Europe ”[https://www.europarl.europa.eu/RegData/etudes/STUD/2021/656330/EPRS_STU(2021)656330_EN.pdf], “crop protection is essential for the efficient production of crops and their products. It prevents crops from being harmed by pests, pathogens, and weeds, with consequent reductions in yield and product quality. It contributes to food production and food security, which benefits consumers and society, and it supports farmers’ incomes.”
The control of diseases and insect pests relies on the use of environmentally dangerous plant protection products (PPPs). The use of PPPs is highly problematic and is the subject of an intense debate. Farmers wish to reduce their dependency on chemical PPPs and ask for alternative crop protection methods.
A promising control strategy of diseases and environmental stress effects is the enhancement of natural plant resistance. However, a growth-defense trade-offs exists that in many cases results in decreased plant growth and crop yield. Therefore, while enhancing the defensive potential of plants, it is important not to significantly affect the physiological performance of plants.
Several plant molecules, which are normally released upon pathogen infection or mechanical injury, have the capability of enhancing the resistance of plants to pathogens. These are known as damage-associated molecular patterns (DAMPs). Well known DAMPs are the oligogalacturonides (OGs), and cellodextrins (CDs), i.e. cell wall fragments derived from the degradation of the pectin and cellulose, respectively. OGs induce not only local but also systemic resistance against pathogens. The same is likely to be true for CDs. A homeostatic control of OGs and CDs is played by specific oxidase OGOXs and CELLOXs, which belong to the Berberine Bridge Enzyme-like (BBEl) super-family. OGOXs and CELLOXs act on the reducing end of the oligosaccharides, dampen their elicitor-action and prevent the deleterious effects of their over-accumulation.
The role of OGs, CDs and their BBEl-mediated oxidation in plant protection is still to be fully elucidated. OGs and CDs, alone or in combination, may be useful to develop phytosanitary products more respectful of the environment than the conventional agrochemicals. They can potentially be used in organic agriculture. At present few well-characterized bioproducts with reliable performance are on the market, due to a limited knowledge of their mode of action.
Moreover, it is well known that plant health is often modulated by a rich and diverse community of soil bacteria and fungi (soil microbiota). The soil microbiota modulates host susceptibility to pathogens by either eliciting or dampening the plant immune response, an interplay that likely protects the plant against pathogen perturbation and defense-associated growth inhibition. It is conceivable that the activation of plant immunity by DAMPs also affects the composition and quality of plant root-associated microbes. The goal of this project is to study the interaction between OGs, CDs, and their BBEl-mediated oxidation not only in plant immunity but also in the establishment a beneficial root-associated microbiota.
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