Negli ultimi decenni l'utilizzo degli antibiotici a scopo terapeutico o come promotori della crescita nell'allevamento animale ha portato alla comparsa e alla diffusione di microrganismi resistenti. In questo contesto, la presenza di Lattobacilli (LAB) antibiotico resistenti non rappresentano di per sé un rischio clinico. Tuttavia la possibilità che essi ma possono essere veicolo di geni codificanti l'antibiotico-resistenza verso batteri patogeni presenti negli alimenti o nel tratto gastro-intestinale umano (inclusi enterococchi, streptococchi e listeria), costituisce un possibile rischio per la salute umana che deve essere attentamente valutato. Obiettivo di questo lavoro è stato quello di valutare attraverso metodi di indagine fenotipica con le tecniche delle microdiluizioni in brodo, Etest e disc-diffusion, i livelli di antibiotico resistenza per le specie S. thermophilus e L. plantarum verso gli antibiotici tetraciclina, eritromicina, clindamicina, streptomicina, gentamicina, ampicillina. Ceppi atipici appartenenti alla specie S. thermophilus sono stati sottoposti ad analisi genetiche con lo scopo di caratterizzare e localizzare i geni responsabili della resistenza. E' stato inoltre testato il possibile trasferimento orizzontale dei geni di antibiotico resistenza nativi da S. thermophilus verso i batteri Gram-positivi E. faecalis e Listeria monocytogenes. In alcuni ceppi di S. thermophilus resistenti si sono infine osservati e studiati particolari caratteri fenotipici ( fitness ) correlati alla presenza delle determinanti genetiche di antibiotico resistenza nell'ospite batterico. / In the last decades, the use of antibiotics in human therapy or in animal husbandry as growth promoters has induced the development and the diffusion in antibiotic resistant micro-organisms. In this context antibiotic resistant Lactic Acid Bacteria (LAB) do not represent a clinical risk in themselves. However, the possibility that S. thermophilus cultures might transfer antibiotic resistance genes to pathogenic species either present in food or in the gastrointestinal tract (including enterococci, streptococci and listeria) represents a potential clinical risk that needs to be carefully evaluated. The aim of this study was to evaluate by means of phenotypic methods (microdilution, E-test, disc-diffusion) the levels of antibiotic resistance for S. thermophilus and L. plantarum species against the antibiotic tetracycline, erythromycin, clyndamicin, streptomycin, gentamycin and ampicillin. The atypical resistant S. thermophilus strains were subjected to genetic analyses in order to characterise and to localise the antibiotic resistance determinants. Furthermore the ability of the resistant S. thermophilus strains in transferring the antibiotic resistant determinant was assessed in mating experiments using as recipients the Gram-positive bacteria E. faecalis and Listeria monocytogenes. In same resistant S. thermophilus strains, special bacterial fitness related with the presence of the antibiotic resistance determinants in the bacterial hosts were observed and studied.

La scoperta e il successivo uso di antibiotici hanno reso resistenti molte specie batteriche sia di origine animale sia umana. I geni di resistenza agli antibiotici possono essere trasferiti tramite la catena alimentare, a partire dagli animali e alimenti, fino al tratto gastrointestinale degli esseri umani. Il presente studio descrive la proprietà coniugativa di alcuni nuovi plasmidi, in particolare di uno identificato in un ceppo di Lactococcus lactis spp. lactis, isolato dall'intestino di pesce, e di altri plasmidi individuati in ceppi di Lactobacillus brevis, Lb. plantarum e Lb. reuteri, isolati da salame. La trasferibilità dei plasmidi che portano i geni di resistenza per l’eritromicina o tetraciclina è stata valutata con metodi di elettroporazione e coniugazione in vitro. Nello specifico è riportato il trasferimento di tali plasmidi a specie batteriche patogene per l’uomo come Listeria monocytogenes e Staphylococcus spp. e a un agente responsabile di Lactococcosi nei pesci come Lc. garvieae. Dopo lo studio sulle proprietà coniugative si è proceduto alla caratterizzazione di questi elementi extracromosomici con esperimenti di comobilizzazione e stabilità. I dati ottenuti suggeriscono come i LAB possano essere un serbatoio di diffusione dei geni per l’antibiotico resistenza, con gravi rischi per l’allevamento di prodotti ittici e salute umana. / The discovery and subsequent widespread use of antibiotics have rendered many bacterial species of human and animal origin resistant to some antibiotics. Antibiotic resistance gene may be transferred via food chain, from animals into fermented and other food or in the human gastrointestinal tract. The transferability of some plasmids that harbor the tetracycline or erythromycin resistance genes to animal and human pathogens was assessed using electrotrasformation and conjugation. The present study describes the proprieties of some new plasmids, originally isolated from fish intestinal Lactococcus lactis ssp. lactis and from fermented sausage Lactobacillus brevis, Lb. plantarum and Lb. reuteri. In particular, here I report the potentially of transferable antibiotic resistance determinants to human pathogenic bacterial like Listeria monocytogenes and Staphylococcus spp. and to an etiologic agent of Lactococcus infection like Lc. garvieae. The possibility of transferring natural Lactococcus and Lactobacillus plasmids into pathogenic bacterial strains involved the characterization of these elements, like comobilization and plasmid stability. These data suggest that lactic acid bacteria (LAB) might be reservoir organism for acquired resistance genes that can be spread both to fish and human pathogens, posing a risk to aquaculture and human health.

In questa tesi vengono affrontati due diversi tipi di studio. Il primo tratta della costruzione di una mappa di ibridi bovino-criceto di radiazione di seconda generazione tramite la tipizzazione di un pannello RH, fornito dal Roslin Institut, con un set di Est non ridondanti provenienti da una libreria di cloni a cDNA di cervello bovino. Il secondo soggetto è il coinvolgimento dei microRNA, una nuova classe di piccoli RNA regolatori non codificanti, nello sviluppo della ghiandola mammaria. E' stata analizzata l'espressione di un set di microRNA noti in letteratura nei diversi stadi dello sviluppo dell'organo e sono state costruite librerie di cloni a cDNA di potenziali microRNA a partire da diversi stadi del ciclo dell'organo. / In this thesis two different subjects have been studied. The first is the construction of a second generation high-density RH map of the bovine using the RH panel of the Roslin Institute. The panel have been characterized by PCR with a set of non-redundant EST chosen from a cDNA library of bovine brain. The second work treats about the involvement of miRNAs in the development of mammary gland. A set of 25 known miRNAs have been chosen and their expression have been examined in the different stages of mammary gland development. Libraries of potential miRNAs have been constructed from different stages of mammary gland development and some miRNAs have been validated.

Il suolo è un ambiente complesso che è alla base di molteplici servizi ecosistemici per la produzione agricola. Questa complessità è riflessa nella composizione e nelle funzioni degli organismi microbici coinvolti. Lo scopo di questa tesi è stato quello di esplorare le risposte della comunità microbica all’intervento dell’uomo in suoli agricoli. Lo studio ha coinvolto suoli di comune origine, modificatisi negli ultimi 6-700 anni a causa di differente uso e gestione agronomica del suolo. Per ottenere questo risultato, il DNA del suolo è stato analizzato con tecniche di sequenziamento avanzato. I risultati indicano che i suoli disturbati sono più diversi rispetto ai suoli naturali. I fattori che influenzano la comunità microbica sono il disturbo, la disponibilità di nutrienti e la dormienza microbica. In un altro esperimento, a carico di batteri ammonio ossidanti, si sono studiati gli effetti di diversi stress come l’umidità e la concentrazione di zinco nel suolo o la presenza di pesticidi nella lettiera. In tutte queste situazioni i batteri hanno mostrato una ridondanza e una variabilità che permettono di rispondere agli stress. In conclusione i risultati di questa tesi dimostrano che l’intervento umano è responsabile nel determinare la struttura e le funzioni della comunità procariotica dei suoli. / Soil is a complex environment comprising the basis for several ecosystem services, with many of them being connected to agricultural production. This complexity is reflected on the composition and functions of the hosted microbial life mainly responsible for the acquired services. Aim of the described studies was to explore microbial community responses to ecosystem services related human intervention in agricultural soils. Total prokaryotic diversity was studied in soils of common origin, which diverged in properties during the late 6-7 centuries due to different land use and management. For achieving this, related DNA markers were screened with high throughput sequencing. Cultivated environments had increased diversity compared to more natural soils. Factors potentially affecting the microbial community structure were: soil disturbance events; available nutrients; and microbial dormancy. In a second approach, ammonia oxidizing prokaryotes were used as biomarkers for studying stress effects caused by humidity and increased zinc concentrations and also the presence of organic pesticides in soil and litter respectively. In both referred cases the studied microbial guilds responded to the applied stresses showing strain or taxon level functional redundancy potentials, and tolerance variability. Overall, results show that human intervention is determining for the prokaryotic structure and functions in agricultural soils.

La produzione di biogas è un tematica di forte impatto globale per due ragioni principali: il prossimo esaurimento dei combustibili fossili e l’inquinamento ambientale dovuto allo smaltimento di scarti organici. La Digestione Anaerobica (DA) è un processo biologico che permette la risoluzione di entrambi i problemi, producendo energia (in forma di biogas) e convertendo gli scarti organici in metano e anidride carbonica. Tale processo è basato su una complessa catena sintrofica tra consorzi microbici che produco il substrato per la fase finale di metanogenesi. Il siero di latte è uno scarto altamente inquinante derivante dal processo di lavorazione del formaggio e per questo è stato ampiamente investigato come substrato per la DA. Tuttavia esiste uno scarto meno noto prodotto dalle fasi di porzionatura e grattugia del formaggio a lunga stagionatura. Il presente studio analizza il microbioma di digestori anaerobici processanti scarti dell’industria lattiero-casearia, quali letame bovino, siero di latte e scarto del formaggio a pasta dura. In particolare, viene analizzato l’effetto dei parametri di processo, delle diverse configurazioni dei reattori e del tipo di scarto, su tale microbioma. L’obiettivo è raggiunto tramite tecniche biomolecolari che permettono di quantificare e identificare le principali specie presenti nei reattori, insieme alla differente espressione genica in seguito all’iniezione di idrogeno a scopo di upgrading del biogas. / Biogas production is a hot topic, which has globally gained interest from many researchers over the past years. This fact is mainly due to the depletion of fossil fuels and environmental concerns regarding wastes disposal. Anaerobic Digestion (AD) represents a biological way to obtain both energy (in form of biogas) and waste discard, by converting the polluting organic matter. The overall process relies on a syntrophic chain where different microbial consortia produce the feed necessary for the final methanogenic step. Cheese whey has been largely investigated for AD treatment, since is a high polluting waste derived from the cheese-making process. However, there is a less-known waste originating from the portioning and shaving phases of long-ripened hard-cheese. This study aimed to investigate the microbiome of anaerobic digesters processing dairy industry wastes, such as cattle manure, cheese whey and hard-cheese powder wastes. In particular, the effects of process parameters, reactor configurations and type of dairy wastes, on the microbial populations, have been analyzed. The goal was achieved by means of culture-independent methods and high throughput sequencing, which allowed quantifying and identifying the main species present, as well as their differential gene expression in relation to hydrogen injection for biogas upgrading purposes.

Il termine malattia renale cronica (Chronic Kideny Disease: CKD) si riferisce a differenti condizioni caratterizzate da un progressivo declino della funzione renale. Le linee guida internazionali hanno definito la CKD come una condizione in cui siano presenti marcatori di danno renale e/o la velocità di filtrazione glomerulare stimata (Estimated Glomerular Filtration Rtae: eGFR) sia inferiore a 60 ml/min/1.73 m2 per almeno 3 mesi. L’insufficienza renale in stadio terminale è associata ad un alto rischio di malattia cardiovascolare (Cardiovascular Disease: CVD), la più frequente causa di morte in questi pazienti. Fattori di rischio “non-tradizionali” come: infiammazione cronica, stress ossidativo, deplezione proteico-energetica, disordini del metabolismo minerale e deficit di inibitori della calcificazione, partecipano alla patogenesi della CVD. L’infiammazione gioca un ruolo cruciale nella risposta fisiologica all’infezione e al danno renale e partecipa anche nell’evoluzione del danno renale irreversibile con la produzione di diverse molecole infiammatorie a partire da acidi grassi polinsaturi a lunga catena (Long Chain PolyuUsaturated Fatty Acids: LCPUFA) della serie Omega-6. La supplementazione di Omega-3, con effetto antinfiammatorio, nei pazienti affetti da CKD è stata ed è oggetto di molti studi, nonostante ciò, l’effetto sul danno renale è ancora poco chiaro. Comunque, è ampiamente riconosciuto che un alterato profilo lipidico possa determinare la progressione della patologia, inducendo lo stato infiammatorio. Inoltre, elevati/normali livelli di Omega-3 potrebbero essere associati al miglioramento della funzionalità renale, diminuendo quindi il rischio di peggioramento della malattia. Le concentrazioni e il rapporto di Omega-3 e Omega-6 sono strettamente associati alla salute del rene, poiché svolgono ruoli importanti in differenti vie metaboliche. Un altro aspetto, preso poco in considerazione, è l’effetto dei livelli di acidi grassi circolanti e dei loro metaboliti sullo stato infiammatorio e sulla sua modulazione. Il primo scopo di questo studio è stato quello di analizzare il profilo degli acidi grassi in soggetti anziani affetti da CKD. Sono stati arruolati 57 pazienti afferenti agli ambulatori di Nefrologia dell’Ospedale Maggiore Policlinico di Milano e sono stati raccolti campioni di sangue su cui è stata effettuata l’analisi del profilo lipidico. Negli ultimi anni, diversi studi hanno sottolineato la stretta associazione tra infiammazione a livello intestinale e peggioramento del quadro in pazienti con CKD. Il mantenimento di un ottimo stato del tratto gastrointestinale è fondamentale per assicurare lo stato di salute dell’ospite, contribuendo ai processi metabolici, fisiologici e immunologici. Le comunità batteriche instaurano un rapporto mutualistico con l’individuo che colonizzano, giocando un ruolo importante negli stati di salute e malattia. Un’anomala colonizzazione o cambiamenti nella composizione del microbiota intestinale, determina disbiosi, uno squilibrio associato a diverse condizioni patologiche come obesità, diabete di tipo II, malattia intestinale cronica, CVD e anche CKD. Il rapporto tra intestino e rene è bidirezionale, nei pazienti affetti da malattia renale cronica, la composizione del microbiota intestinale risulta essere modificata rispetto a quella del soggetto sano. Alti livelli di urea che si riversano facilmente nel tratto intestinale modificano il microambiente chimico con conseguente innalzamento del pH del colon che esercita una pressione selettiva a favore di specie ureasi-positive, responsabili della conversione dell’urea in ammoniaca. Lo strato protettivo di muco viene degradato e la permeabilità della barriera intestinale viene compromessa. In conseguenza di ciò si ha il passaggio di materiale batterico attraverso la mucosa e l’attivazione di un meccanismo infiammatorio. Nei pazienti con funzionalità renale compromessa, il rene perde progressivamente la capacità di eliminare sia le sostanze provenienti dal metabolismo umano, sia quelle della comunità microbica intestinale. Alcune di queste sostanze sono rappresentate dalle tossine uremiche, tra quelle di derivazione intestinale le principali e più studiate sono p-cresil solfato (PCS) e indossile solfato (IS). IS e p-CS, strettamente legate all’albumina sierica (Human Serum Albumin: HSA), non vengono eliminate facilmente ma rimangono nel torrente ematico. HSA è la più abbondante proteina sierica ed è la principale trasportatrice di composti esogeni ed endogeni, inclusi gli acidi grassi che sembrano rappresentare il maggior ligando endogeno della proteina. Multipli siti di legame vengono utilizzati per gli acidi grassi monoinsaturi (MonoUnsaturated Fatty Acids: MUFA) e PUFA. Acidi grassi e tossine uremiche competono quindi per gli stessi siti di legame sulla proteina. Il potenziale ruolo degli acidi grassi nel contrastare l’accumulo di tossine uremiche derivate dalla comunità batterica intestinale ne giustifica l’importanza della valutazione dei loro livelli ematici. Secondo scopo di questa tesi di dottorato è stato quello di valutare la possibile correlazione tra i livelli di acidi grassi circolanti e la composizione del microbiota intestinale in soggetti affetti da CKD. Sono stati arruolati nello studio 64 pazienti anziani con CKD non dializzati e 15 soggetti anziani con normale funzionalità renale. La composizione del microbiota intestinale è stata precedentemente caratterizzata attraverso l’impiego delle tecniche di elezione: PCR-DGGE e la PCR quantitativa (qPCR). In accordo con la letteratura scientifica, è stata evidenziata una riduzione di batteri saccarolitici e produttori di butirrato nei pazienti con CKD rispetto al gruppo di controllo. Il butirrato sembra giocare un ruolo cruciale nel mantenimento delle ottimali condizioni della barriera intestinale. Tenendo ciò in considerazione è stato deciso di approfondire lo studio e valutare l’associazione tra la comunità microbica intestinale e i livelli di acidi grassi basali in tali pazienti. Come risultato più importante ottenuto, è stata osservata una correlazione positiva statisticamente significativa tra la specie batterica Faecalibacterium Prausnitzii e i livelli totali di Omega-3 entrambi associati a proprietà antinfiammatorie. La presente tesi di dottorato evidenzia la necessità di sostenere ulteriori ricerche per supportare i risultati qui presentati. Studi futuri potrebbero essere utili per migliorare la comprensione del ruolo degli acidi grassi circolanti e i loro metaboliti sulla composizione del microbiota intestinale, sullo stato infiammatorio e sulla malattia renale cronica. / The aim of this thesis was to explore the possible associations between fatty acids (FA) profile and gut microbiota (gMb) with several conditions throughout the lifespan, from infancy to old age. In particular, we focused our attention on elderly subjects with Chronic Kidney Disease (CKD) and children with Acute Otitis Media (AOM). The terms “Chronic Kidney Disease” refers to several disorders with a progressive kidney function decline. International guidelines approved the definition of CKD as a condition with the presence of markers of kidney damage or with the estimated glomerular filtration rate (eGFR) less than 60 ml/min/1.73 m2 or both, for at least three months. End-stage renal disease is associated with a high cardiovascular disease (CVD) risk, the major cause of death in these patients. Chronic inflammation, oxidative stress, protein-energy wasting, disordered mineral metabolism, and deficiency of endogenous calcification inhibitors, known as non-traditional risks factor, take part in cardiovascular pathology in CKD. Inflammatory processes influence the physiological response to renal infection and injury but also participate in the development of potentially irreversible kidney damage with the production of various inflammatory molecular species, among whom eicosanoids and cytokines, from parental omega-6 long-chain polyunsaturated fatty acids (LCPUFA). Several studies focused their attention on the potential role of omega-3 (n-3) LCPUFA supplementation in subjects with CKD. Despite this, their effect on kidney damage is still not clear. However, it is widely agreed that a modified FA profile in CKD can determine a progression of the disease, inducing the inflammatory state. Moreover, high/normal n-3 LCPUFA levels decrease the risk of a decline of the disease. Omega-3 and omega-6 (n-6) LCPUFA concentrations and their ratios are tightly associated with renal health, because of their important roles in different pathways. Another aspect not very considered in the field of CKD is the role of circulating FA levels and their metabolites on the modulation of inflammation. The first aim of this study is to analyze the FA profile in elderly subjects with CKD. Blood samples have been collected from 57 subjects enrolled in the study, and FA analysis has been performed. During the last years, several studies underlined the strong relationship between intestinal inflammation and adverse outcomes in CKD. The health of gastrointestinal tract is fundamental to ensure the well being of the host contributing to its nutrition, metabolism, physiology, and immune function. The bacterial communities colonizing humans have been seen in terms of mutualistic symbiosis with their hosts, a mutually beneficial coexistence, playing an important role in health and disease. Abnormal colonization or changes in the gut microbial composition determine dysbiosis, a state associated with different illnesses, such as obesity, type 2 diabetes, inflammatory bowel disease, cardiovascular disease, and also chronic kidney disease. The relationship between gut and kidney is a bi-directional relation with a mutual influence. Chronic kidney disease influences gMB characteristics, especially through high levels of urea that easily spread in the intestinal fluid where bacterial urease enzymes degrade it, then it is hydrolyzed in ammonium hydroxide that increases fecal pH with a consequent alteration of intestinal cellular junctions. Besides, high levels of urea change intestinal microbiota composition damaging permeability of intestinal barrier and promoting proteolysis with production and absorption of uremic toxins, such as indoxyl sulfate (IS) and p-cresol sulfate (p-CS). These toxins induce an inflammatory process associated with CKD. Under physiologic conditions, the kidney through the urine eliminates these compounds, but CKD patients have a compromised renal clearance. Therefore, these solutes tend to accumulate in the organs. IS and p-CS are tightly bound to human serum albumin (HSA), the most abundant plasma protein in the bloodstream. HSA is recognized as the main means of transport for endogenous and exogenous compounds, including fatty acids that seem to be the main endogenous ligand of HSA, multiple binding sites are used for monounsaturated fatty acids (MUFA) and PUFA. Thus, free fatty acids and uremic toxins compete for the same binding sites on HSA. It is important to assess fatty acid (FA) levels in patients with CKD because of the potential role to contrast the accumulation of uremic toxins derived from the intestinal bacterial community. As a consequence of this bi-directional relation between gut and kidney and the possible involvement of some compounds as metabolites of FA in the inflammatory response, we investigate the correlation between circulating FA levels and the gMB composition in the same subjects with CKD, as the second aim of this thesis. 64 old CKD non-dialysis patients (eGFR 15-45 ml/min/1.73 m2) and 15 elderly subjects (>65 years) with normal renal function (eGFR >60 ml/min/1.73 m2, CKD-EPI) are enrolled. Bacterial composition was studied in a previous observational study by denaturating gel gradient electrophoresis (DGGE), high-throughput sequencing (16S ribosomal RNA), and quantitative real-time PCR (qPCR). This study described an increased abundance of some bacteria associated with pathological conditions. In agreement with the literature, the author found a reduced abundance of saccharolytic and butyrate-producing bacteria (Prevotella, Faecalibacterium prausnitzii, Roseburia) in CKD patients respect to the control group. Butyrate plays a crucial role in the maintenance of the gut barrier function. Taking that into account, we decided to investigate the correlation between gMB composition and FA profile in these subjects. The main result of the study was the significant positive correlation between Faecalibacterium prausnitzii and total n-3 levels, both associated with the antiinflammatory action. The present doctoral thesis underlines the need to perform further investigations in order to support evidence presented. Future studies may be useful to improve understanding of the effect of circulating fatty acids levels and their metabolites on gut microbial composition, inflammation process, and pathological conditions such as kidney disease. Our results showed that CKD patients with previous cardiovascular events had lower total and specific n-3 levels comparing with patients without them. Moreover, higher docosahexaenoic acid (DHA) levels and having had previous cardiovascular events seemed to have protective effects against further cardiovascular events. Moreover, we observed a significant reduction of the genera Roseburia and Faecalibacterium in CKD patients compared to C group and a significant lower abundance of F. prausnitzii and Roseburia spp. in CKD patients. Thus, our results seem in accordance with anti-inflammatory actions of total n-3, DHA, and saccharolytic and butyrateproducing bacteria. Many gMB changes seem to be related both to CKD and CVD. If the different gMB composition might play a causal role in cardiovascular events by an unbalanced production of some toxic substances, or if the gMB changes are merely a consequence of different dietary and lifestyle behaviours of these patients, it cannot be explained by the present study and all the yet available data. Further studies, possibly utilizing new high-throughput tools, will be required to understand the potential correlations between the gMB composition and other inflammation and oxidative stress markers in these patients. Other two studies have been performed during the doctoral course, to reach a better comprehension of fatty acids, gut microbial community and inflammatory states. A prospective pilot clinical study has been performed to to explore possible changes of gMB composition in children with AOM treated with amoxicillin with or without clavulanic acid. AOM is one of the most common bacterial infections in children and is normally treated with antibiotic therapies that lead to increasing antimicrobial resistance rates among otopathogens and may impair the correct development of the microbiota in early life. No significant differences were shown in the gMB composition of the overall cohort at different time intervals of the samples collection and in subjects treated with amoxicillin with or without clavulanic acid at different time intervals (T0, T1 and T2). A literature revision on lipids in infant formulae has been performed to better understanding quality and quality of dietary lipids because of their significant impact on health outcomes, especially when fat storing and/or absorption are limited (e.g., preterm birth and short bowel disease) or when fat byproducts may help to prevent some pathologies. The lipid composition of infant formulae varies according to the different fat sources used, and the potential biological effects are related to the variety of saturated and unsaturated FAs. Instead, ruminant-derived trans FAs and metabolites of n-3 LCPUFA with their anti-inflammatory properties can modulate immune function. Furthermore, dietary fats may influence the nutrient profile of formulae, improving the acceptance of these products and the compliance with dietary schedules. During the doctoral course, I spent a period abroad at Dell Pediatric Research Institute (DPRI), The University of Texas at Austin. In particular, I attended the laboratory of Doctor Brenna. I focused my research activity on a specific regulatory insertion-deletion polymorphism in the FADS gene cluster for better understanding its influence on PUFA and lipid profile.

Qualità e sicurezza degli alimenti, inclusa la loro tracciabilità ed autenticità, è diventato ngli ultimi anni obiettivo primario per la salute e il benessere dei consumatori. Il progetto è diretto allo sviluppo e applicazione di metodiche DNA-based per la tracciabilità di specie vegetali, varietà di frumento duro e microorganismi a difesa della qualita’, salubrita’ ed autenticità della filiera grano e prodotti processati. Le attività progettuali dello studio sono finanziate da industria (Barilla S.P.A.) con il coinvolgimento di enti pubblici di ricerca (Università Cattolica Del Sacro Cuore Di Piacenza, CREA-GB di Fiorenzuola D’arda). Il progetto si articola in tre argomenti principali: WP1.Tracciabilità di specie vegetali nella filiera pasta. Tracciabilità di varietà di frumento duro nella filiera pasta A questo scopo sono state intraprese nel secondo anno di attività due azioni dirette allo sviluppo e validazione di due diverse metodiche di fingerprinting varietale. Partendo dalle direttive UPOV in materia di impiego di marcatori molecolari per la caratterizzazione varietale è stata applicata e validata su di un pool di 26 varietà di interesse per l’industria un’ analisi basata su di una combinazione di marcatori SSR (Simple Sequence Repeats) che ha consentito di identificare in maniera univoca ciascuna delle varietà in esame. Il saggio è stato trasferito ai laboratori dell’industria che lo applica attualmente nella routine per il controllo di partite di granella. A fronte della robustezza dell’analisi SSR si pongono però i lunghi tempi analitici. Per ottimizzare questo aspetto si è completata un’attività di sequenziamento parziale del genoma di 28 varietà presenti in due repliche biologiche (52 campioni) e 12 mix di DNA di due varietà (4 differenti percentuali per ogni coppia di varietà miscelate). I dati ottenuti hanno fornito circa 15.000 marcatori molecolari DArT-seq (Diversity Array Technology ) e SNP (Simple Nucleotide Polimorphisms). Dall’intero set di marcatori è stato quindi individuato, attraverso una procedura bioinformatica, un set ridotto di marcatori ad alta informatività in grado di identificare univocamente le singole varietà e di predire la presenza di altre varietà in miscela e la percentuale di contaminazione. WP2.Tracciabilità Di Microrganismi Fungini Nella Filiera Pasta Questo studio è volto al controllo e identificazione di specie microbiche patogene che possono svilupparsi lungo la filiera grano con conseguente impatto negativo sulla salubrità di granella, di semole e dei prodotti finiti. A questo scopo sono stati prodotti campioni di granella a contaminazione controllata. Si è costituita attraverso l’analisi delle sequenze Barcode una ceppoteca che comprende i maggiori patogeni fungini che possono contaminare la granella durante la crescita della pianta in campo o durante lo stoccaggio della granella. Dopo l’inoculo artificiale dei singoli ceppi in due varietà di frumento duro, sono stati raccolti, a tempi crescenti, campioni di spighe e granella. La metodica è risultata rapida e sensibile nell’identificazione di DNA fungino fin dalle prime fasi dell’infezione, quando i sintomi della malattia risultavano ancora non ancora visibili. Le informazioni di sequenza Barcoding, in prospettiva, potranno essere utilizzate per sviluppare nuovi metodi di identificazione fungina più sensibili e rapidi. WP3. Identificazione molecolare di microrganismi vivi o morti in pesto L’obiettivo di questo lavoro è stato quello di sviluppare metodiche di V-qPCR (Viability-PCR), per permettere l’identificazione, quantificazione e discriminazione cellule microbiche vive o morte in alimentiprocessati, come il pesto. Per lo studio è stato scelto il batterio patogeno B.cereus, microrganismo ubiquitario, patogeno e sporigeno di difficile identificazione soprattutto in matrici complesse. Durante questo lavoro è stato sviluppato un protocollo analitico che prevede l’estrazione del DNA batterico da pesto, matrice interferente e complessa. Parte del lavoro è stata svolta presso l’Istituto di Microbiologia dell’Università Cattolica e l’Istituto IATA CSIC Institut d’Agroquímica i Tecnologia dels Aliments in Valencia. / Food quality and safety, including food traceability and authenticity, have become crucial in the last decades. Today, molecular and genetic progress can support the agri-food industry, due to the improvement of new analytical tools. Among the available applications, DNA-based methods can detect the presence of a particular species or variety along the food supply chain, verify the genetic identity of food and feed ingredients and detecting the presence of contaminating organisms, thus becoming an essential tool to study patterns, causes, and risk factors of diseases and outbreaks. As a consequence, genetic analysis has become increasingly popular even among non-specialists and highly beneficial for consumers, agricultural farmers, governments, and the private sector (Reid, O’Donnell, and Downey 2006). In this framework, the research developed in this thesis arises by active collaboration between the private company Barilla G. & R. Fratelli S.p.A., the public research institute CREA-GB (Consiglio per la Ricerca in agricoltura e l'analisi dell Economia Agraria) and Università Cattolica del Sacro Cuore, to develop a set of DNA-based methods to improve the traceability and authenticity of plant and microbial species and durum wheat varieties applicable from farm to fork. Following these aims, the research developed in this thesis includes: 1. The optimization and validation of qPCR assay for the discrimination of plant species along the pasta production chain through the organization of a ring test involving nine Italian public and private laboratories. The results obtained in this study were published in the Journal of Cereal Science (Chapter 2); 2. The discrimination of durum wheat varieties by selecting SSRs and DarT molecular markers as reliable methods for variety fingerprinting (Chapter 3). The results confirm the sensitivity of the method and the feasibility to 7 protect the food industry from fraud and ensure the consumer a certified pasta quality; 3. The application of the Barcoding technique and the development of qPCR assay for the identification and quantification of field fungi (Fusarium, Alternaria, Michrodochium, Cochliobolus spp.) and saprophytic fungi (Aspergillus, Penicillium, Rhizopus spp) along the wheat chain (Chapter 3). The sensitivity of the method was investigated by inoculating potted durum wheat plants at full anthesis and wheat kernels (pre and postharvest trials). The DNA-based methods demonstrate a key role in pathogen detection and the application in several points of the wheat chain (e.g., for control of both locally and imported grains, for storage lots, to evaluate the environmental risk associated with grain powder for farmers and workers); 4. The optimization of Viability q-PCR (V-qPCR) for the discrimination of dead and alive Bacillus cereus, a spore-forming bacteria (Chapter 4). The results of PMAxx, combined with qPCR, have demonstrated the selective discrimination of B.cereus viable cells, with no false-positive signals determined by dead cells, a peculiar aspect of thermally treated food; 5. The comparison of two DNA extraction kits (FastDNA® SPIN Kit for Soil – MB and NucleoSpin Tissue - Macherey Nagel) by detecting B.cereus spores in basil pesto sauce, selected as a model food matrix. Despite the limit of detection (LOD) achieved (respectively 1.8x102 spores/gr by using Fast DNA TM SPIN and 2.7 x 105 spores/gr by using NucleoSpin®), the principal challenge remains the spores' DNA extraction from the complex matrix. Lastly, the results obtained during the doctoral research project were globally discussed (Chapter 5).

L'agricoltura moderna sta affrontando sfide come la perdita di fertilità del suolo, la variabilità climatica e gli attacchi di agenti patogeni in continuo aumento. Le pratiche agricole si stanno evolvendo verso sistemi sostenibili e rispettosi dell'ambiente. L'uso di biostimolanti (PBS, plant biostimulant) è una soluzione innovativa per affrontare le sfide di un’agricoltura sostenibile che garantisce un assorbimento ottimale dei nutrienti, una resa delle colture e tolleranza agli stress abiotici. In particolare, tra i diversi tipi di biostimolanti presenti sul mercato, i rizobatteri, classificati come Plant Growth Promoting Rhizobacteria (PGPR), offrono un nuovo approccio per promuovere la crescita delle piante, la mitigazione degli stress e l’aumento della resa colturale. Pertanto i PGPR sono considerati come una sorta di "probiotici" vegetali, poiché contribuiscono in modo efficiente alla nutrizione e all'immunità delle piante. L'obiettivo principale di questa tesi è isolare e identificare batteri presenti nella rizosfera di pomodoro (Solanum lycopersicum L.) che mostrano proprietà PBS, nonché valutare i meccanismi coinvolti nell'azione di promozione della crescita delle piante (Capitolo 2) e la genetica alla base di questi meccanismi (Capitolo 3 e 4). Infatti, una profonda comprensione dei meccanismi d’azione dei PGPR potrebbe colmare la mancanza di coerenza del dato di efficacia tra gli studi di laboratorio e gli studi in campo e stimolare la ricerca per la produzione e la commercializzazione di nuovi prodotti biostimolanti microbici. / Modern agriculture faces challenges such as loss of soil fertility, fluctuating climatic factors and increasing pathogen and pest attacks. Agricultural practices have been evolving towards organic, sustainable and environmentally friendly systems. The use of natural plant biostimulants (PBS) is an innovative solution to address the challenges in sustainable agriculture, to ensure optimal nutrient uptake, crop yield, quality and tolerance to abiotic stress. In particular, among different types of biostimulants present on the market, plant growth promoting rhizobacteria (PGPR) offer a novel approach for promoting plant growth, mitigate stress and increase crop yield. Hence, PGPR inoculants are now considered as a kind of plant ‘probiotics’, since they efficiently contribute to plant nutrition and immunity. The main goal of this thesis was to isolate and identify bacteria symbionts of tomato (Solanum lycopersicum L.) rhizosphere, which showed PBS properties and evaluate mechanism involved in the action of PGPR (Chapter 2), underlying genetics and physiological pathways (Chapter 3 and 4). Indeed, a deeply understanding of the mechanisms of plant growth promotion, could fulfill the lack of consistency between lab, greenhouse and field studies, and support commercialization of novel plant biostimulant products.

Quando le condizioni sono sfavorevoli alla crescita, membri dei generi Bacillus e Clostridia (incluso Clostridium botulinum, l’agente eziologico del botulismo) formano endospore, forme cellulari estremamente resistenti, metabolicamente dormienti e difficili da distruggere. Tuttavia, le spore attraverso il processo di germinazione, riattivano il ciclo vegetativo non appena le condizioni tornano favorevoli. Questa capacità di “riattivazione” delle spore è causa di “food spoilage” e di intossicazioni alimentari. Considerando che le specie Clostridium botulinum e Clostridium sporogenes sono filogeneticamente correlate, in questo lavoro, il ceppo Clostridium sporogenes UC9000, isolato da latte crudo, è stato utilizzato come modello non-patogeno di Clostridium botulinum per studiare la germinazione. Studi fisiologici hanno rivelato che le spore del ceppo UC9000 germinano in presenza di L-alanina/ L-cisteina in combinazione con L-lattato, mentre un analisi in silico ha permesso di identificare omologhi dei recettori coinvolti nella risposta all’L-alanina in Bacillus. Attraverso l’analisi del genoma sono stati identificati gli enzimi SleB, CwlJ e SleL, responsabili della degradazione del cortex. CwlJ è stato localizzato nel coat della spora grazie ad uno studio di proteomica, è stato espresso in forma solubile in E. coli ed un test di attività in vitro ha evidenziato la sua capacità di indurre la germinazione di spore “decoated” / When environmental conditions are unfavorable to the growth, Bacillus and Clostridium bacteria (including Clostridium botulinum, the causative agent of foodborne botulism) form endospores, metabolically dormant cell types resistant to several adverse conditions and difficult to kill. However, under suitable conditions, spores resume the vegetative life by triggering the germination process. Thus, spores are dangerous agents of human foodborne disease and food spoilage. In this work, the strain Clostridium sporogenes UC9000, isolated from raw milk, was used like not-pathogenic model of Clostridium botulinum to better understand the mechanisms underpinning the Clostridium germination. Clostridium sporogenes is a species phylogenetically related to Clostridium botulinum and often used like its surrogate. Physiological studies revealed that UC9000 spores germinate in presence of L-alanine/L-cysteine in combination with L-lactate, while in silico analyses allowed the identification of homologues of the Bacillus germinant receptors responsive to L-alanine. The genome screening also detected genes coding for SleB, CwlJ and SleL, enzymes participating to the cortex degradation. CwlJ was found resident in the spore coat by performing a proteomic analysis, it was expressed in soluble form in E. coli and an in vitro assay of activity revealed its capability to induce germination when added exogenously to decoated spores

La qualità delle fave di cacao disponibili in commercio, che rappresentano la principale materia prima per la produzione di cioccolato, dipende da diversi fattori inclusi: il tipo di piantagione, le pratiche agricole ed il processo di post raccolta. Tra queste; fermentazione ed essicazzione sono generalmente considerate le più rilevanti, dal momento in cui, durante queste fasi, vengono formati e fissati i precursori degli aromi del cacao. Inoltre, esse rappresentano un step cruciale durante il quale possono verificarsi contaminazioni da parte dei funghi filamentosi. La fermentazione è caratterizzata da una successione ben definita di lieviti, batteri lattici e batteri acetici, a tal fine, lo scopo del presente lavoro di tesi è stato quello di esplorare e descrivere in modo completo le comunità batteriche e fungine coinvolte nella fermentazione delle fave di cacao e valutare se l’origine geografica ed il metodo di fermentazione potessero influenzare la loro composizione. Per ottenere tali risultati il gene 16s rRNA è stato usato come marker per descrivere la comunità batterica totale mediante High Throughput Sequencing (HTS), dimostrando come tale approccio abbia la capacità di evidenziare la totalità delle comunità batteriche a livello di specie. In un secondo approccio l’Internal Transcribed Spacer 1 (ITS1) ed il dominio D1/D2 della sub unità maggiore dell’RNA ribosomiale (26s rRNA) sono stati selezionati per descrivere la popolazione fungina. I risultati hanno evidenziato come le due regioni abbiano la capacità di descrivere la composizione generale delle popolazioni, sebbene il dominio D1/D2 sia stato in grado di analizzare più nel dettaglio la composizione. Infine gli stessi campioni sottoposti all’analisi mediante HTS sono stati analizzati mediante SPME-GC-MS per evidenziare i principali composti aromatici formatisi durante il processo di post raccolta. Complessivamente i risultati indicano chiaramente che l’approccio mediante HTS ha le potenzialità per fornire una dettagliata visione d’insieme delle comunità batteriche e fungine presenti durante le fasi di post raccolta delle fave di cacao, inoltre le analisi statistiche hanno evidenziato come l’ITS1 ed i composti volatili possano essere utilizzati per la tracciabilità geografica. / The quality of commercial cocoa beans, the principal raw material for chocolate production, depends on several factors including type of plantations, the agricultural practices and the post-harvest processing. Among these, fermentation and drying are generally considered the most relevant, since during these phases cocoa flavors precursors are formed and fixed. Furthermore, they represent crucial steps during which filamentous fungi contamination might occur. Fermentation is characterized by a well-defined succession of yeasts, lactic acid bacteria and acetic acid bacteria, so that, the aim of the described studies was to explore total bacterial and fungal communities involved in cocoa bean fermentation and to evaluate if geographical origin and fermentation method might affect their composition. To achieve these results, 16s rRNA gene was used as marker to assess the total bacterial community by using High Throughput Sequencing (HTS), indicating that this approach has the ability to provide a comprehensive view of the cocoa bean microbiota at the species level. In a second approach, Internal Transcribed Spacer 1 (ITS1) and the D1/D2 domain of the Large subunit (LSU) of the nuclear ribosomal RNA (26S rRNA) were screened to assess the total fungal community. Results revealed the ability of these two genomic regions to describe reliably the general composition, even if D1/D2domain was able to go deeper into the fungal composition resulting in a higher resolution. In the last approach the same samples subjected to HTS investigation were analyzed through SPME-GC-MS in order to underline the principal key-aroma compounds formed during the post-harvest processing. Overall, results point out clearly that HTS approach has the ability to provide a comprehensive view of the total bacterial and fungal communities, and statistical analyses have shown how analyses of ITS1 sequences and volatile compounds might be useful for the geographical traceability of the processed cocoa beans samples.