A genomic and transcriptomic approach to characterize a novel biocontrol bacterium Lysobacter Capsici AZ78

In the European Union (EU) the authorization of new active substances based on microbial agents is strictly regulated by several Regulations of the European Commission. A large amount of information is needed to achieve the authorization as: a) phylogenetic characterization, b) virulence traits; c) efficacy; d) mechanism of action; e) secondary metabolites production; f) toxic effects on the environment, human and animal. In the last years, there is an increasing interest in biopesticides based on microbial strains, including the bacterial genus Lysobacter, because of its biocontrol features. Specifically, L. capsici AZ78 is can effectively control phytopathogenic oomycetes, such as Plasmopara viticola e Phytophthora infestans. Although, some information about the biocontrol activity of the Lysobacter genus is available, the data that can be used to complete the registration dossier of L. capsici AZ78 are few. Therefore, the aim of the study was to characterize L. capsici AZ78. The genome of L. capsici AZ78 was sequenced and compared with two close-related pathogenic bacteria to confirm the lack of virulence factors to plant and human. The genome of L. capsici AZ78 includes a broad range of specific genes encoding lytic enzyme and in vitro trials confirmed the lytic activity on different substrates. The genome annotation showed the presence of genes involved in the biosynthesis of antibiotics and the antimicrobial activity of L. capsici AZ78 was tested in vitro against bacteria, oomycetes and fungi. The genome mining allowed the identification of genes encoding Type 4 Pilus (T4P), an interestingly motility mechanism that is involved in the host colonization, such as fungal hyphae. Moreover, the identification of a compound that positively modulates the expression of T4P genes and increases the bacterial efficacy against P. viticola, could be an important information for the final formulation of the bacterium. Genes involved in the resistance to environmental stressors and in the environmental fitness of L. capsici AZ78 under field conditions, were identified. Finally, the analysis of the L. capsici AZ78 transcriptome provided a complete overview of the mechanism of action displayed by the bacterium in the interaction with P. infestans. In conclusion the scientific literature produced during this work includes information that can speed up the preparation of the registration dossier of L. capsici AZ78.

Il processo di registrazione di nuovi principi attivi a base microbiologica è strettamente normato da Regolamenti dall’Unione Europea. Per ottenere l’autorizzazione all’uso come prodotto fitosanitario, nel dossier di registrazione è necessario fornire numerose informazioni relative al microrganismo: a) caratterizzazione filogenetica; b) caratteri di patogenicità; c) efficacia; d) meccanismo d’azione; e) produzione di metaboliti secondari; f) effetti tossici sull’ambiente e sugli organismi viventi. Negli ultimi anni c’è un crescente interesse nei confronti di prodotti fitosanitari di natura microbiologica, tra cui il genere batterico Lysobacter per le sue peculiari caratteristiche di biocontrollo. Lysobacter capsici AZ78 può controllare efficacemente importanti oomiceti fitopatogeni, come Plasmopara viticola e Phytophthora infestans. Sebbene siano disponibili informazioni generali sull’attività di biocontrollo del genere Lysobacter, poche sono le informazioni specifiche che possono essere utilizzate per la stesura del dossier di registrazione di L. capsici AZ78. Lo scopo di questo lavoro è quindi quello di ottenere una profonda caratterizzazione di L. capsici AZ78. Il genoma di L. capsici AZ78 è stato quindi sequenziato e successivamente analizzato comparandolo con i genomi di due specie patogene al fine di verificare l’assenza di fattori di virulenza verso l’uomo e le piante. Il genoma di L. capsici AZ78 include diversi geni specifici codificanti enzimi litici, la cui azione è stata evidenziata mediante prove in vitro su diversi substrati. Inoltre, l’annotazione di geni codificanti antibiotici è stata successivamente confermata mediante prove di antagonismo in vitro verso batteri, funghi e oomiceti. L’analisi del genoma ha consentito l’identificazione di geni coinvolti nella biogenesi di Pili di Tipo 4, un interessante meccanismo di motilità, utile per l’eventuale colonizzazione del ospite, come il micelio fungino. L’identificazione di un composto che influenza positivamente la produzione di pili e allo stesso tempo aumenta l’efficacia del batterio nel controllo di P. viticola è un dato da considerare per la futura formulazione del batterio. Il genoma è inoltre munito di geni relativi alla resistenza agli stress ambientali che possono influire sulla fitness del batterio in campo. Infine, l’analisi del trascrittoma di L. capsici AZ78 ha consentito l’identificazione di tutti i meccanismi d’azione messi in atto dal batterio nei confronti di P. infestans, fornendo un quadro chiaro dell’attività di biocontrollo di L. capsici AZ78. I risultati ottenuti durante questo lavoro di tesi contengono informazioni utili da inserire nel dossier per la registrazione di L. capsici AZ78, e velocizzarne il processo di registrazione.