RHIZOSPHERE MICROBIAL COMMUNITIES IN AGRICULTURE: INTEGRATING MOLECULAR PROFILING AND GENOMIC INSIGHTS FOR PLANT HEALTH AND PRODUCTIVITY

This dissertation presents the results of a comprehensive study focused on the isolation, characterization, and application of different Plant Growth-Promoting Rhizobacteria (PGPR) that demonstrated biostimulant and biocontrol properties. The primary aim was to elucidate the mechanisms underlying PGPR modes of action, including genetic, physiological, and ecological pathways, that can be exploited for sustainable agriculture. A multidisciplinary approach was employed, encompassing laboratory isolations, biochemical phenotyping, Whole Genome Sequencing (WGS), amplicons metabarcoding, bioinformatics analyses, as well as pilot pot trials and field applications. This multifaceted approach underscored the integral role of rhizosphere microbes in promoting plant health, growth, and resilience across a variety of conditions. Key research findings obtained leveraging natural plant-microbe interactions through PGPR-based biostimulants indicate that PGPRs have the potential to reduce chemical inputs while maintaining or even enhancing agricultural productivity. Notably, several free-living nitrogen-fixing bacteria, such as Azospirillum argentinense and Azotobacter salinestris, were successfully isolated from tomato rhizosphere, highlighting the beneficial association between free-living diazotrophs and non-leguminous crops. Other PGPRs such as Bacillus velezensis and Bacillus amyloliquefaciens contributed to both plant nutrition and defense, often exhibiting multiple plant growth-promoting activities. Many PGPRs that were effective in contrasting plant pathogens also demonstrated biostimulant capabilities, such as phosphorus solubilization, indole acetic acid (IAA) and siderophore production, highlighting their multifunctional potential in promoting overall plant health. Comprehensive safety assessments of microbial biostimulants were conducted using in silico genomic data to evaluate the presence of antimicrobial resistance (AMR) genes and virulence factors (VFs), ensuring the safe application of PGPRs in agricultural systems. The genomic analyses helped identify potential risks associated with PGPRs, thereby guaranteeing that the selected strains were environmentally safe and suitable for use in agriculture, while also fostering public trust and regulatory acceptance. Further research efforts delved into the genetic and physiological mechanisms that facilitate plant colonization by PGPRs. Advanced molecular techniques were applied to identify specific microbial traits. Amplicons metabarcoding coupled with bioinformatics analysis provided a deeper understanding of the composition and dynamics of microbial communities in the rhizosphere subjected to biostimulant treatments. Pilot pot trials, plant phenotyping, and subsequent field applications demonstrated the significant contribution of PGPR inoculants to plant nutrition and defense versus both biotic and abiotic stressors. These trials highlighted improvements in crop performance, leading to more consistent yields and enhanced product quality, ultimately showcasing the practical benefits of microbial inoculants in real-world agricultural settings. In conclusion, this dissertation contributes critical insights to the field of agricultural microbiology by elucidating PGPR action mechanisms, ensuring their safety for practical use, and demonstrating their positive impact on plant health and productivity. The findings offer practical solutions to contemporary agricultural challenges and provide a foundation for the development and commercialization of novel, safe plant biostimulant products. By harnessing the potential of PGPRs while ensuring their safe application, this research advances sustainable agriculture, supporting environmentally friendly techniques that can be used for meeting the food demands of a growing global population.

Questa tesi presenta i risultati di uno studio approfondito incentrato sull’isolamento, caratterizzazione e applicazione di diversi batteri promotori della crescita delle piante (PGPR, Plant Growth-Promoting Rhizobacteria), che hanno dimostrato proprietà sia biostimolanti che di biocontrollo. L’obiettivo principale è stato quello di chiarire i meccanismi alla base dell’azione dei PGPR, includendo aspetti genetici, fisiologici ed ecologici, che possono essere sfruttati per un’agricoltura sostenibile. È stato adottato un approccio multidisciplinare che ha incluso isolamenti in laboratorio, fenotipizzazione biochimica, sequenziamento genomico completo (WGS), metabarcoding da ampliconi, analisi bioinformatiche, oltre a prove in vaso su scala pilota e applicazioni in campo. Questo approccio integrato ha evidenziato il ruolo fondamentale dei microbi della rizosfera nella promozione della salute, crescita e resilienza delle piante in diverse condizioni ambientali. I principali risultati ottenuti, sfruttando le interazioni naturali tra piante e microbi attraverso biostimolanti a base di PGPR, indicano che questi microrganismi hanno il potenziale per ridurre l’uso di input chimici mantenendo, o addirittura migliorando, la produttività agricola. In particolare, diversi batteri azotofissatori liberi, come Azospirillum argentinense e Azotobacter salinestris, sono stati isolati con successo dalla rizosfera del pomodoro, evidenziando l’associazione benefica tra diazotrofi liberi e colture non leguminose. Altri PGPR, come Bacillus velezensis e Bacillus amyloliquefaciens, hanno contribuito sia alla nutrizione che alla difesa delle piante, mostrando spesso molteplici attività promotrici della crescita vegetale. Numerosi PGPR efficaci nel contrastare patogeni vegetali hanno inoltre dimostrato capacità biostimolanti, come la solubilizzazione del fosforo, la produzione di acido indolacetico (IAA) e di siderofori, sottolineandone il potenziale multifunzionale nel promuovere la salute generale delle piante. Sono state effettuate valutazioni approfondite della sicurezza dei biostimolanti microbici utilizzando dati genomici in silico, al fine di identificare la presenza di geni di resistenza agli antimicrobici (AMR) e fattori di virulenza (VF), garantendo un'applicazione sicura dei PGPR nei sistemi agricoli. Le analisi genomiche hanno permesso di individuare potenziali rischi associati ai PGPR, assicurando che i ceppi selezionati fossero sicuri per l’ambiente e idonei all’uso in agricoltura, promuovendo al contempo la fiducia pubblica e l’accettazione normativa. Ulteriori indagini hanno esplorato i meccanismi genetici e fisiologici che facilitano la colonizzazione delle piante da parte dei PGPR. Tecniche molecolari avanzate sono state impiegate per identificare tratti microbici specifici. Il metabarcoding da ampliconi, integrato con analisi bioinformatiche, ha fornito una comprensione più profonda della composizione e delle dinamiche delle comunità microbiche nella rizosfera sottoposta a trattamenti biostimolanti. Prove in vaso su scala pilota, fenotipizzazione delle piante e successive applicazioni in campo hanno dimostrato il contributo significativo degli inoculi PGPR alla nutrizione e difesa delle piante contro stress biotici e abiotici. Queste prove hanno evidenziato miglioramenti nelle performance colturali, conducendo a rese più stabili e a una qualità del prodotto aumentata, dimostrando concretamente i benefici pratici degli inoculi microbici in contesti agricoli reali. In conclusione, questa tesi apporta contributi fondamentali nel campo della microbiologia agricola, chiarendo i meccanismi d’azione dei PGPR, garantendone la sicurezza d’uso e dimostrandone l’impatto positivo sulla salute e produttività delle piante. I risultati offrono soluzioni concrete alle sfide dell’agricoltura contemporanea e forniscono le basi per lo sviluppo e la commercializzazione di nuovi biostimolanti vegetali sicuri. Sfruttando il potenziale dei PGPR in modo sicuro, questa ricerca promuove un’agricoltura sostenibile, supportando tecniche rispettose dell’ambiente per soddisfare la crescente domanda alimentare globale.