Tissue culture and biotechnology for the study and valorisation of Mediterranean's fruit biodiversity with a focus on secondary metabolites production
Author(s)
Lupo, Michela
Date Issued
May 21, 2025
Type
Doctoral Thesis
Abstract
The Mediterranean Basin is a hotspot of plant and agricultural biodiversity, characterized by high floristic richness and a considerable rate of endemism. However, this genetic heritage is increasingly threatened by climate change and the expansion of economically dominant crops. In this context, the conservation and sustainable use of Mediterranean agrobiodiversity, particularly native species and the secondary metabolites they produce, has become a priority. This study aimed to develop strategies based on plant tissue culture, a consolidated technique for ex situ conservation and woody fruit genotypes multiplication, which also offers new opportunities for the controlled production of valuable metabolites. To improve both efficiency and sustainability, the use of LED lighting was explored. LEDs allow spectral modulation, enhance energy efficiency, and reduce operational costs compared to traditional light sources. Their application proved beneficial for plant growth, development, and metabolite biosynthesis in vitro.
The first chapter focused on optimizing the micropropagation of fruit species historically cultivated in the Mediterranean environment (Pyrus communis L., Sorbus domestica L., and Morus nigra L.) using LED lighting and innovative plant growth regulators. Results showed enhanced vegetative development, improved accumulation of photosynthetic pigments, and increased metabolite production, with genotype-specific responses. In Morus nigra L., meta-topolin proved effective during the multiplication phase, while LED lighting with red and far-red enriched spectra promoted ex vitro rooting.
The second chapter investigated a red-leafed genotype of Corylus avellana L.. Anthocyanins were identified as the major pigments, and a callus culture was established to evaluate their production under controlled conditions. Elicitation, particularly LED-mediated physical elicitation, stimulated anthocyanin accumulation to levels comparable to or exceeding those found in field-grown tissues. Extracts demonstrated antioxidant properties and selective cytotoxic activity against human breast cancer cells.
In conclusion, in vitro culture emerges as a promising platform not only for conservation and propagation of fruit species typically growth of the Mediterranean environment, but also to produce secondary metabolites with applicative potential. Integration with technologies such as LED lighting can enhance the yield and efficiency of the process, making it scalable to an industrial level for pharmaceutical, cosmetic, and nutraceutical applications.
Il bacino del Mediterraneo rappresenta un hotspot di biodiversità vegetale e agraria, con un’elevata ricchezza floristica e un importante tasso di endemismi. Questo patrimonio genetico è tuttavia minacciato dai cambiamenti climatici e dall’espansione di colture economicamente dominanti. In tale contesto, la conservazione e l’utilizzo sostenibile della biodiversità agraria mediterranea, con particolare attenzione alle specie autoctone e ai metaboliti secondari da esse prodotti, assumono un ruolo prioritario. Il presente lavoro ha avuto come obiettivo lo sviluppo di strategie basate sulla coltura di tessuti vegetali, una tecnica consolidata per la conservazione ex situ e la moltiplicazione di genotipi di fruttiferi, che offre anche nuove opportunità per la produzione controllata di metaboliti di interesse. Per migliorare efficienza e sostenibilità, è stato approfondito l’impiego dell’illuminazione a LED, che permette di modulare lo spettro luminoso, aumentare l’efficienza energetica e ridurre i costi operativi rispetto alle sorgenti tradizionali. L’utilizzo dei LED si è rivelato vantaggioso per la crescita, lo sviluppo e la biosintesi di composti nelle colture in vitro.
Nel primo capitolo è stata ottimizzata la micropropagazione di fruttiferi da clima temperato, storicamente coltivati in ambiente mediterraneo (Pyrus communis L., Sorbus domestica L. e Morus nigra L.), impiegando LED e fitoregolatori innovativi. I risultati hanno evidenziato un miglioramento nello sviluppo vegetativo, nella formazione di pigmenti fotosintetici e nell’accumulo di metaboliti, con risposte influenzate dal genotipo. Inoltre, in Morus nigra L., il meta-topolin si è dimostrato efficace nella moltiplicazione, mentre l’illuminazione LED, con uno spettro luminoso ricco in rosso e rosso lontano, ha favorito la radicazione ex vitro.
Nel secondo capitolo è stato studiato un genotipo di Corylus avellana L. caratterizzato da foglie rosse. Le analisi hanno identificato le antocianine come principali pigmenti, e una coltura di callo è stata allestita per valutarne la produzione in condizioni controllate. L’elicitazione, in particolare quella fisica mediata da LED, ha stimolato l’accumulo di antocianine a livelli comparabili o superiori a quelli riscontrati nei tessuti in campo. Gli estratti hanno mostrato attività antiossidante e citotossica selettiva verso cellule di cancro al seno.
In conclusione, la coltura in vitro si conferma una piattaforma promettente non solo per la conservazione e la propagazione di genotipi di fruttiferi tipici dell’ambiente mediterraneo, ma anche per la produzione di metaboliti secondari con potenziale applicativo. L’integrazione con tecnologie come l’illuminazione LED può aumentare la resa e l’efficienza del processo, rendendolo scalabile a livello industriale per applicazioni nei settori farmaceutico, cosmetico e nutraceutico.
Additional information
Dottorato di ricerca in Scienze delle Produzioni Vegetali e Animali