Valorizzazione di specie vegetali eduli
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Valorizzazione di specie vegetali eduli
Università degli studi di Cagliari CORSO DI DOTTORATO IN SCIENZE E TECNOLOGIE DELLA TERRA E DELL'AMBIENTE INDIRIZZO BOTANICA AMBIENTALE E APPLICATA Ciclo XXIX TITOLO Valorizzazione di specie vegetali eduli spontanee e coltivate attraverso sistemi di caratterizzazione chimica e molecolare a garanzia di qualità DOTTORANDA: Dott.ssa Marengo Arianna COORDINATORE DOTTORATO: Prof. Lattanzi Pierfranco TUTOR/RELATORE: Dott. Maxia Andrea, Università degli Studi di Cagliari CO-TUTOR: Prof.ssa Rubiolo Patrizia, Università degli Studi di Torino Prof.ssa Cinzia Bertea, Università degli Studi di Torino 1. Introduzione Data la loro importanza in campo alimentare, le specie vegetali eduli, sia coltivate che spontanee, sono da sempre studiate al fine di analizzare i composti che esse sintetizzano e ricercare marker che permettano una loro rapida identificazione. Le piante sono fonte di numerose molecole, alcune delle quali possono avere differenti proprietà che le rendono di notevole importanza in molteplici campi (industriale, farmaceutico, nutraceutico) conferendo quindi alla pianta un valore economico. Alcuni lavori sono stati condotti da differenti gruppi di ricerca al fine di valorizzare specie vegetali eduli, proprio verificando la presenza di eventuali metaboliti secondari di interesse (Pinelli et al., 2007; Omar et al., 2012). Oltre ad ampliare la conoscenza riguardo alle molecole che vengono prodotte e alle loro eventuali proprietà, è altresì necessario trovare dei metodi efficaci e semplici di tracciabilità (Galimberti et al., 2013). Esistono varie metodiche, sia chimiche sia biomolecolari, atte alla discriminazione delle diverse specie o varietà di piante. In questo progetto ci concentreremo su analisi cromatografiche e biomolecolari (PCR-based), in particolare utilizzando il cosiddetto “DNA barcoding”. Tale tecnica è basata sull’assunto che la variabilità interspecifica eccede quella intraspecifica e si esplica nell’utilizzo di protocolli standardizzati per l’analisi di sequenze variabili (Hebert et al., 2003). Negli ultimi vent’anni molti metodi PCR-based sono stati testati su differenti cultivar, ad esempio di riso, orzo e su molti altri generi vegetali di interesse alimentare, quali ad esempio il genere Mentha, Ocimum, Origanum, Rosmarinus (De Mattia et al., 2011; Galimberti et al., 2013). 2. Attività - I° Anno Il primo anno di ricerca si è incentrato principalmente nel selezionare, attraverso indagini etnobotaniche basate sulla letteratura, un pool di specie di interesse alimentare, al fine di valorizzare le piante stesse e il territorio in cui esse crescono spontaneamente. Le specie identificate sono state inquadrate tassonomicamente per avere un quadro sinottico e di facile consultazione. In questa prima fase si è partiti dalle Asteraceae e precisamente dalla tribù delle Cardueae che annovera una moltitudine di entità vegetali eduli che la popolazione sarda comunemente distingue solo con il termine “Cardu” e/o “Cardu burdu” (Atzei, A. D.,2003; Signorini et al., 2009). A queste specie spontanee eduli si affiancheranno alcune colture di consolidato interesse economico, quali ad esempio il carciofo. Mediante tecniche chimiche e biomolecolari si cercherà quindi di valorizzare le specie prese in esame, indagando la presenza di metaboliti secondari di interesse e proponendo metodi semplici di tracciabilità. Inoltre si sta valutando di ampliare gli studi al genere Pistacia, alle specie coltivate del genere Ocimum e ad alcune specie non considerate eduli dalla tradizione sarda ma potenzialmente valorizzabili in quanto specie utilizzate in altre tradizioni popolari. Inoltre ci si sta occupando di identificare alcune specie esotiche di interesse economico importate da alcune comunità di migranti oramai stanziali nel territorio sardo (Maxia et al., 2014). Alcune delle specie selezionate presentano, ad ora, poco materiale in letteratura oltre che nessuna sequenza genica depositata in banca dati. Il primo passo fondamentale, al fine di ottenere dati soddisfacenti, è quello di ottimizzare i vari protocolli, chimici e biomolecolari, in base alla matrice utilizzata e ai risultati che si vogliono ottenere. Al momento ci siamo concentrati sulle analisi di estrazione e amplificazione del DNA, gli steps successivi prevedono l’analisi dei dati al fine di identificare markers discriminanti. 3. Materiali e metodi 3.1. Identificazione delle specie e raccolta del materiale vegetale Tabella 1: Elenco delle specie considerate Nome scientifico Carduus argyroa Biv. Carduus nutans subsp. macrocephalus (Desf.) Nyman Carlina gummifera (L.) Less. Galactites tomentosa Moench Onopordum horridum Viv. Ptilostemon casabonae (L.) Greuter Silybum marianum (L.) Gaertn. Nome scientifico Pistacia lentiscus L. Pistacia x saportae Burnat Pistacia terebinthus L. Tribù Cardueae Cardueae Cardueae Cardueae Cardueae Cardueae Cardueae Sito di racc. Uta Uta Jerzu Gennargentu Gennargentu Gennargentu Gennargentu Data di racc. Maggio 2014 Maggio 2014 Settembre 2014 Giugno 2014 Giugno 2014 Giugno 2014 Giugno 2014 Genere Pistacia Pistacia Pistacia Sito di racc. Baunei Baunei Baunei Data di racc. Giugno 2014 Giugno 2014 Giugno 2014 Mediante una ricerca bibliografica, concernente diverse tradizioni popolari, ivi inclusa quella sarda, è stato selezionato un pool di piante di interesse etnobotanico. Le matrici vegetali, circa dieci individui per ogni specie, sono state raccolte in diverse parti della Sardegna, nel tempo balsamico più opportuno, e inquadrate tassonomicamente (Tabella 1). Le droghe vegetali sono state ripulite da residui, parti danneggiate da agenti patogeni e/o estranei e essiccate per 24h/36h in stufa a 40°C, per impedire o ridurre i processi enzimatici che potrebbero alterare le matrici durante la loro conservazione. Infine le droghe macinate sono state messe a disposizione per le analisi chimiche e biomolecolari. 3.2 Estrazione e caratterizzazione qualitativa e quantitativa del fitocomplesso L'estrazione del fitocomplesso viene fatta utilizzando diverse apparecchiature e/o solventi che possono variare in base alla natura della matrice vegetale. Per quanto riguarda ad esempio le specie appartenenti alla tribù delle Cardueae, viene effettuata un’estrazione idroalcolica dei composti a peso molecolare elevato. L’estratto così ottenuto è stato analizzato attraverso la cromatografia liquida ad alta prestazione (HPLC) unita a uno spettrofotometro per l’identificazione dei composti presenti nella miscela. I composti vengono separati mediante un gradiente di acetonitrile + TFA (Acido Trifluoroacetico) e acqua + TFA. I cromatogrammi, ottenuti a due differenti lunghezze d’onda, permettono l’identificazione di alcune molecole confrontando il tempo di ritenzione con quello di standard specifici (Acido Clorogenico e Cinaroside). 3.3 Estrazione ed analisi del DNA Il DNA è stato estratto per mezzo di un apposito kit (EuroGold Plant DNA Mini Kit), utilizzando specifici buffer e colonnine con affinità specifiche. La presenza del DNA genomico è stata verificata attraverso corsa su gel di agarosio 0.7%, utilizzando un marker molecolare di 1kb. Le bande, colorate con Bromuro di Etidio, sono state visualizzate mediante un transilluminatore UV. In seguito il DNA è stato amplificato attraverso reazioni a catena della polimerasi (PCR). La reazione è stata preparata aggiungendo 2 µl di Dream TAQ buffer 10X, 0.4 µl di dNTPs 10 mM, 0.5 µl primers 10 µM, 0.2 µl Dream TAQ Polymerase, 1 µl DNA diluito e acqua per un volume finale di 20 µl. Sono state fatte differenti prove di PCR con diverse condizioni, ad ora il programma che ha dato risultati migliori è stato il seguente: 95°C per 3 min, 40 cicli di 95°C per 30 sec, Ta per 50 s, 72°C per 1 min seguiti da 72°C per 7-10 min. Tabella 2: Primers utilizzati Primers Sequenza primers Tm [°C] Bibliografia ITS 1 ITS 2 ITS 3 ITS 4 5S_P1 5S_P2 PsbaF TrnhF-05 MatK 390 MatK 1326 RbcL1F Rbcl724R TCCGTAGGTGAACCTGCGG GCTGCGTTCTTCATCGATGC GCATCGATGAAGAACGCAGC TCCTCCGCTTATTGATATGC GTGCTTGGGCGAGAGTAGTA TTAGTGCTGGTATGATCGCA GTTATGCATGAACGTAATGCTC CGCGCATGGTGGATTCACAATCC CGATCTATTCATTCAATATTTC TCTAGCACACGAAAGTCGAAGT ATGTCACCACAAACAGAAAC TCGCATGTACCTGCAGTAGC 61 59.4 59.4 55.3 59.4 55.3 56.5 64.2 50.9 58.4 53.2 59.4 (White et al., 1990) (White et al., 1990) (White et al., 1990) (White et al., 1990) (Rubiolo et al., 2009) (Rubiolo et al., 2009) (Sang et al., 1997) (Tate et al., 2003) (Cuenoud et al., 2002) (Cuenoud et al., 2002) (Fay et al., 1997) (Fay et al., 1997) Sono state amplificate differenti regioni del DNA, utilizzando primers universali specifici per geni “barcoding”. In particolare, sono stati utilizzati i seguenti primers (Tabella 2): primers nucleari: ITS (Internal Transcribed Spacer) 1-2-3-4, 5s-rRNA-NTS (5s-rRNA non transcribed spacer) primers plastidiali: RBCL (RuBisCo large subunit), MATK (Maturase K), PsbaTrnh I campioni amplificati sono stati analizzati attraverso una corsa elettroforetica in gel di agarosio 1.5%, utilizzando un marker molecolare di 100 bp. Effettuando un confronto tra le bande ottenute è possibile verificare la presenza di regioni genomiche variabili. 4. Risultati preliminari e criticità È stata condotta una ricerca bibliografica sugli usi etnobotanici relativi alle specie considerate in questo primo anno di dottorato. Ci siamo in particolare concentrati su alcune specie appartenenti alla tribù delle Cardueae e stiamo valutando di approfondire gli studi su tre taxa appartenenti al genere Pistacia (Tabella 1). Tabella 3: Dati etnobotanici Scientific name Carduus argyroa Biv. Sardinian name Cadru, Cardu Area Sardinia Sicily Carduus nutans subsp. macrocephalus (Desf.) Nyman Carlina gummifera (L.) Less. Bardu ispinosu, Cardu spinosu Bardu cabiddu, Musciurida Sardinia Marche Sardinia Sicily, Spain, Arabian peninsula North Africa Galactites tomentosa Aldu pintu, Bardu Sardinia Food data Edible parts Edible forms Stems Raw (pickled in oil, oil dip), cooked (fried) Tender stems Cooked (boiled or fried Stems Raw (pickled in oil, oil dip), cooked (fried) Aerial part Aromatic Receptacles Raw (pickled in before blooming, oil, oil dip), aerial parts cooked (boiled) Inflorescences, Raw, Cooked aerial parts (boiled) Roots ashes Cooked (bloiled, dried and mixed with semolina and butter) Young leaves, Raw, cooked Bibliography (Atzei, A. D.,2003) (Lentini et al., 2007) (Atzei, A. D.,2003) (Guarrera, 2003) (Atzei, A. D.,2003; Lentini et al., 2007) (Lentini et al., 2007) (Lentini et al., 2007) (Atzei, A. Moench anzonìnu, Cardu biancu stems, inflorescences, shoots (fried) Young leaves, stems Leaves Cooked (fried) Sardinia Flowers, fruits, stems Raw (salad), cooked Sicily Tender stems Cooked Sardinia Flowers, shoots Cooked Sardinia Flowers, leaves, shoots, stems Raw (salad, pickled in oil), cooked (fried) Sicily, Spain, England Aerial part Lazio Sardinia Stems, leaves Fruits Raw (salad), cooked (fried, boiled) Cooked Oil Cyprus Fruits Greece Leaves Spain Braches, leaves // // // Accodro, Chessa bera, Còdura, Sapòri Cyprus Stems, fruits Basilicata Liguria Onopordum horridum Viv. Ptilostemon casabonae (L.) Greuter Silybum marianum (L.) Gaertn. Pistacia lentiscus L. Pistacia x saportae Burnat Pistacia terebinthus L. Aldu nieddu, Ardu nieddu Caldu drummitu, Cardu de Casteddu, Cima de cibirus Ardu biancu, Cardu tufu, Cima de cardu Chessa, Astingùl, Celsa, Listinchinu, Lentiscu Cooked (boiled) D.,2003; Ghirardini et al., 2007; Signorini et al., 2009) (Ghirardini et al., 2007) (Cornara et al., 2009) (Atzei, A. D.,2003; Lentini et al., 2007) (Lentini et al., 2007) (Atzei, A. D.,2003) Oil, pies with flour, sausages Raw (pickled in vinegar) For gardening olives // (Atzei, A. D.,2003; Lentini et al., 2007; Lancioni M.C. et al., 2007; Signorini et al., 2009) (Tardio et al., 2006; Lentini et al., 2007) (Guarrera, 2003) (Lancioni M.C. et al., 2007; Ghirardini et al., 2007) (Hadjichambis et al., 2008) (Hadjichambis et al., 2008) (Tardio et al., 2006) // Raw, cooked (fried), oil (Hadjichambis et al., 2008) Si può evincere che la maggior parte delle specie considerate presentano un uso alimentare nella tradizione popolare sarda, oltre che in altre tradizioni italiane o straniere (Tabella 3). Le varie parti della pianta (fusto, foglie, infiorescenze ecc.) vengono preparate e consumate in diversi modi, sia cotte che crude. Si è deciso di estendere lo studio a P. lentiscus specie ampiamente utilizzata nella tradizione popolare, includendo P. terebinthus in quanto le foglie e le drupe sono utilizzate per sofisticare i derivati di P. lentiscus (olio essenziale e olio fisso) e Pistacia x saportae, ibrido scoperto in tempi relativamente recenti (Werner et al., 2001). Gli estratti idroalcolici di alcune specie appartenenti alla tribù delle Cardueae sono stati analizzati mediante HPLC. Al momento è stato possibile condurre solamente delle analisi preliminari, andando a valutare i titoli (%) in “Acidi caffeoilchinici”, in “Flavonoidi” e in “Cinaropicrina” presenti negli estratti. Dai cromatogrammi ottenuti è possibile evidenziare, tra i campioni analizzati, differenze quantitative delle molecole considerate. Si è focalizzata l’attenzione su classi di composti potenzialmente con proprietà “antiossidanti” e proprietà “amaricanti”. Per quanto riguarda le analisi biomolecolari sono state condotte varie prove sperimentali, in diverse condizioni, al fine di trovare un protocollo ottimale. Le prove di estrazione sono state effettuate utilizzando campioni congelati o secchi, variando il metodo di omogeneizzazione (beads, mortaio, azoto liquido), variando il quantitativo di materiale di partenza e il volume di eluizione. Gli estratti di migliore qualità si sono ottenuti partendo da 15/20 mg di materiale secco omogeneizzato mediante azoto liquido e mortaio e eluendo il DNA in 100 µl di eluente. In seguito sono state condotte diverse prove di amplificazione, variando la concentrazione di DNA di partenza, la concentrazione dei primers e il programma di PCR. Al momento i risultati migliori si sono ottenuti diluendo gli estratti, in particolare effettuando una diluizione 1:10 per i campioni Pistacia e 1:50 per i campioni appartenenti alla tribù delle Cardueae. Gli estratti indiluiti, in particolare quelli derivanti dalle Cardueae, si presentano ricchi in fenoli e altri metaboliti secondari che inibiscono l’enzima TAQ Polymerase, responsabile dell’amplificazione dei geni d’interesse. Attraverso una diluizione è quindi possibile ridurre la concentrazione di tali composti e quindi migliorare il processo di amplificazione. Inoltre, poiché alte concentrazioni di primers determinano la loro dimerizzazione,con la comparsa di bande aspecifiche, si è optato per un quantitativo di 0.25 µM di primers. I campioni ottenuti sono stati analizzati mediante una corsa elettroforetica in agarosio 1.5%. Al momento i geni amplificati con maggior successo sono ITS 1_2 e RbcL sia per i Pistacia che per le Cardueae, ITS 1_4 dà invece buoni risultati solo con i campioni del genere Pistacia e MatK amplifica bene alcuni DNA delle Cardueae. Attraverso un’analisi preliminare dei campioni, analizzando solo le bande ottenute mediante l’elettroforesi non è possibile trovare differenze evidenti. Le bande ottenute amplificando i geni RbcL e ITS 1_2 delle tre specie di Pistacia, ad esempio, sembrerebbero ad altezze leggermente diverse, ma questo potrebbe essere dovuto a un effetto ottico o a una diversa concentrazione del DNA. Sarà necessario proseguire con gli esperimenti e nello specifico sequenziare i geni amplificati. 6. Studi futuri A partire dagli esperimenti condotti e dai risultati ottenuti si proseguirà con ulteriori analisi. Per quanto riguarda la parte chimica, si continuerà con l’analisi degli estratti ottenuti dalle piante sotto studio, al fine di identificare alcuni dei composti sintetizzati. Dal punto di vista biomolecolare si proseguirà con l’estrazione di DNA e l’amplificazione dei geni d’interesse. Una volta amplificati tutti i geni d’interesse si procederà con il sequenziamento, al fine di trovare differenze discriminanti all’interno delle sequenze ottenute ed eventualmente siti di taglio enzimatici che permettano un più rapido riconoscimento. Oltre alle piante citate verranno analizzate altre specie vegetali eduli, facendo sempre riferimento alla cultura etnobotanica sarda e in generale mondiale. Si effettueranno diversi tipi di estrazione del fitocomplesso, al fine di analizzare sia le molecole a peso molecolare elevato sia la componente volatile, in base alla matrice vegetale sotto studio. Inoltre, un’idea per valorizzare ulteriormente le specie eduli vegetale è quella di testare gli estratti ottenuti effettuando dei saggi biologici (antiossidanti, antibatterici, antivirali) cercando poi di capire, mediante analisi cromatografiche e frazionamento, quali molecole o insieme di molecole, determinino l’attività biologica osservata. 7. Attività integrativa – I° anno Corso istituzionale Attività Periodo di ricerca presso Università degli Studi di Torino (1 mese) Corso per dottorandi: Doing scientific research: context and guidelines (Prof. Dessì, Cubeddu) Seminario tenutosi ad Oristano “Sbocchi professionali del corso di laurea di Biotecnologie Industriali” Corso di Laurea in Biologia: corso di Botanica Sistematica (Prof.ssa Loi) 5° PhD. Summer School: Data AD HOC Corsi di laurea Marzo-Aprile 2014 7 Aprile-11 Aprile 2014 4 CFU X 4 CFU 9 Aprile 2014 30 Aprile-5 Giugno 2014 16 Giugno-21 CFU (basati sulla tabella dei crediti del 18.03.14) 0.5 CFU X X 7 CFU 4 CFU Agrobiodiversity of the mediterraean area: a heritage to rediscover and conserve – Università di Cagliari Pubblicazione su rivista Internazionale (censita ISI o Scopus): Indian Journal of Traditional Knowledge 109° Congresso SBI a Firenze Presentazione Poster - 109° Congresso SBI a Firenze Tutor: Biologia Vegetale - 1° semestre – Corso di Laurea in Chimica e Tecnologie Farmaceutiche Giugno 2014 Aprile 2014 25 CFU 2 Settembre-5 Settembre 2014 2 Settembre-5 Settembre 2014 2 CFU 2 CFU Ott. 2014 – Genn. 2015 - 40 ore 5 CFU References Atzei AD (2003) Le piante della tradizione popolare della Sardegna, Carlo Delfino Editore. Cornara L, La Rocca A, Marsili S, Mariotti MG. 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