Innovations in the mycorrhization process of Corylus avellana L. and Quercus pubescens Willd. seedlings with Tuber melanosporum Vittad.: development of new potting mixes and selection of MHB bacteria from host symbiome.
Author(s)
Pagliarani, Sofia
Date Issued
November 17, 2022
Type
Doctoral Thesis
Abstract
The black truffle (Tuber melanosporum Vittad.) is a highly valued non-wood forest product that has emerged as a viable agricultural alternative in rural Mediterranean regions as a result of its capacity to adapt to relatively harsh conditions and its high market value. The diminishing availability of truffles in natural habitats has encouraged truffle plant production in nursery-controlled conditions to support cultivation in plantations. The application of ectomycorrhizal (ECM) fungi to forest nursery production is regarded as part of good management practice. However, its realization is associated with the mass consumption of non-renewable natural resources and before employing large-scale inoculations in a nursery the interaction between ECM symbionts and growth substrate should be studied. The research challenge of this thesis was to meet sustainable environmental and economic issues without compromising yields of truffle inoculated seedlings. Two techniques commonly used in soil restoration: (1) soil amendments with pruning and urban waste and (2), inoculation with selected microbial strains naturally present in the T. melanosporum niche (i.e. Pseuodomonas fluorescens, Pseudomonas jessenii, Priestia megaterium, Serratia marcescens and Paenibacillus polymyxa), were evaluated for the nursery production of two of the most suitable host plants, hazel (Corylus avellana L.) and downy oak (Quercus pubescens Willd.) mycorrhized with Tuber melanosporum Vittad. In this context, exploiting the agroecosystem diversity of soil microbial communities appears as a promising effective approach to better understand their role in the development of the mutualistic symbiosis between Tuber spp. and the host trees. For this reason, a metagenomic investigation was carried out using high-throughput sequencing (HTS) to determine the diversity and richness of the bacterial and fungal community present in cultivated truffle grounds of T. aestivum and T. melanosporum. The findings suggest that on root tips colonized by T. melanosporum there was a significantly greater bacterial richness in terms of alfa diversity and a decreased number of fungal OTUs than T. aestivum. Furthermore, in the two black truffle niches, there were significant differences in terms of the abundance of bacterial and fungal species. The family Micromonosporaceae (Phylum Actinobacteria) was the most abundant bacterial class on T. aestivum colonized root tips, while on T. melanosporum mycorrhizae the Alphaproteobacteria class (Phylum Proteobacteria) was the most abundant. Regarding the fungal community, on T. melanosporum samples the phylum Ascomycota was the most abundant, while the class Agaricomycetes (Phylum Basidiomycota) predominated on root tips mycorrhized with T. aestivum.
Significant increments of mycorrhization rate and root system development due to soil amendment were detected. Especially Q. pubescens seedlings grown on a compost substrate containing green pruning, reached an increase of 20% in the mycorrhization rate (60%) than control seedlings grown on forest soil (40%), and a higher number of root tips, root volume, length, and area. On C. avellana
cuttings the mixed composted potting mix (urban wastes and pruning) did not significantly improve the mycorrhization rate than the control substrate (40%), but significantly increased the root length and the number of root tips. The co-inoculation trial with T. melanosporum-associated bacteria, allowed the selection of Pseudomonas jessenii and Priestia megaterium which significantly increased the mycorrhization rate and the root growth parameters compared with seedlings that received non-bacterial inoculation treatments on both Q. pubescens and C. avellana respectively. These results stimulate the application of recycled substrates and selected microorganisms as an environmentally friendly biotechnological approach to plant management in the nursery, for promoting plant growth and ECM colonization. In this context, the final part of the Ph.D. research has concerned the development of a new project called TANA (Truffle and Nanomaterials), which uses the results obtained in this thesis to develop a new biotechnological product based on complex nanomaterials with the inoculation of fungi of the genus Tuber and 'helper' organisms for the standardization and optimization of the mycorrhizal process in the nursery confined environment.
Il tartufo nero (Tuber melanosporum Vittad.) è un pregiato prodotto forestale non legnoso che è emerso come valida alternativa agricola nelle regioni rurali del Mediterraneo grazie alla sua capacità di adattarsi a condizioni relativamente difficili e al suo alto valore di mercato. La crescente disponibilità di tartufi negli habitat naturali ha incoraggiato la produzione di piante da tartufo in condizioni controllate di vivaio per sostenere la coltivazione nelle piantagioni. L'applicazione di funghi ectomicorrizici (ECM) in vivai forestali è considerata parte delle buone pratiche di gestione. Tuttavia, la sua realizzazione è associata al consumo di massa di risorse naturali non rinnovabili e prima di impiegare inoculazioni su larga scala dovrebbe essere studiata l'interazione tra simbionti ECM ed il substrato di crescita. La sfida della ricerca di questa tesi è stata quella di affrontare le questioni di sostenibilità ambientale ed economica senza compromettere la resa delle piantine inoculate con il tartufo. Due tecniche comunemente utilizzate nella ristorazione del suolo: (1) terricci contenenti potature e rifiuti urbani e (2), inoculazione con ceppi microbici naturalmente presenti nella nicchia di T. melanosporum (i.e. Pseuodomonas fluorescens, Pseudomonas jessenii, Priestia megaterium, Serratia marcescens e Paenibacillus polymyxa), sono stati valutati per la produzione vivaistica di due delle piante ospiti più utilizzate in vivaio, il nocciolo (Corylus avellana L.) e la roverella (Quercus pubescens Willd.) micorrizati con Tuber melanosporum Vittad. In questo contesto, sfruttare la diversità agroecosistemica delle comunità microbiche del suolo appare come un approccio promettente ed efficace per comprendere meglio il loro ruolo nello sviluppo della simbiosi mutualistica tra Tuber spp. e le piante ospiti. Per questo motivo, è stata effettuata un'indagine metagenomica facendo uso del sequenziamento ad alta risoluzione (HTS) per determinare la diversità e la ricchezza delle comunità batterica e fungina presenti nei terreni coltivati con le specie di tartufo T. aestivum e T. melanosporum. I risultati suggeriscono che gli apici radicali colonizzati dal T. melanosporum avevano una ricchezza batterica significativamente maggiore e un minor numero di OTU fungine rispetto a T. aestivum. Inoltre, nelle due nicchie del tartufo nero si riscontrano differenze significative in termini di abbondanza di specie batteriche e fungine. La famiglia Micromonosporaceae (Phylum Actinobacteria) è risultata la classe batterica più abbondante in campioni micorrizati da T. aestivum, mentre nelle micorrize di T. melanosporum la classe Alphaproteobacteria (Phylum Proteobacteria) è stata la più abbondante. Per quanto riguarda la comunità fungina, sui campioni di T. melanosporum il phylum Ascomycota era il più abbondante, mentre la classe Agaricomycetes (Phylum Basidiomycota) predominava negli apici radicali micorrizati con T. aestivum. Con l’uso di ammendanti compostati, sono stati rilevati incrementi significativi del tasso di micorrizazione e dello sviluppo del sistema radicale. Soprattutto le piantine di Q. pubescens cresciute su un substrato contenente compost a base di potature verdi hanno raggiunto
un aumento del 20% del tasso di micorrizazione (60%) rispetto alle piantine di controllo coltivate su suolo forestale (40%), e un numero maggiore di apici radicali, volume delle radici, lunghezza e area radicale. Sulle talee di C. avellana la miscela contenente compost misto (scarti urbani e potature) non ha migliorato significativamente il tasso di micorrizazione rispetto al substrato di controllo (40%), ma ha aumentato significativamente la lunghezza della radice e il numero di apici radicali. Lo studio di co-inoculazione di Q. pubescens e C. avellana con batteri associati a T. melanosporum, ha permesso la selezione di due specie batteriche, Pseudomonas jessenii e Priestia megaterium, che hanno aumentato significativamente il tasso di micorrizazione e i parametri di crescita della radice rispetto alle piantine che non sono state co-inoculate con i batteri. Questi risultati rappresentano uno stimolo all'applicazione in vivaio di substrati riciclati e microrganismi selezionati come approccio biotecnologico rispettoso dell'ambiente, per promuovere la crescita delle piante e la colonizzazione ECM. In questo quadro, la parte finale della ricerca di Dottorato ha riguardato lo sviluppo di un nuovo progetto denominato TANA (Tartuficoltura e Nanomateriali), che sfrutta i risultati ottenuti in questa tesi per sviluppare un nuovo prodotto biotecnologico basato su nanomateriali complessi con l'inoculazione di funghi del genere Tuber e organismi 'helper' per la standardizzazione e l'ottimizzazione del processo di micorrizazione in vivaio ambiente confinato.
Additional information
Dottorato di ricerca in Scienze, tecnologie e biotecnologie per la sostenibilità
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