Monitoring of ochratoxin A production of Aspergillus carbonarius isolates from greek grapes through gene expression studies under different ecophysiological factors

Abstract

Ochratotoxin A (OTA) is a secondary metabolite which is one of the most widely distributed mycotoxins since dietary exposure causes major health risks. Contamination of grapes with OTA is mainly caused by black Aspergilli, among which Aspergillus carbonarius is recognized as the main OTA producer in grapes and their derivatives (grape juice, raisins and wine). This potential pathogenic fungus has wide distribution in the environment and is characterized by a remarkable ability to proliferate under a variety of stress conditions, enabling thus its growth in a wide range of environmental conditions and substrates. A. carbonarius frequent occurrence could be attributed to its rapid growth resulting in grape contamination especially in the late veraison stage. Nowdays, OTA control still remains a challenge of continuous efforts in order to meet food safety standards in the production of wine and table grapes. Current knowledge suggests that OTA production is under the control of various ecophysiological interactions at molecular level. Therefore, in the last years attention has been given on fungal genetic parameters in conjunction with environmental and biological factors that influence OTA production. The aim of this thesis was to employ a gene expression approach on A. carbonarius isolates of different phenotypic responses concerning OTA production in order to elucidate OTA related gene expression under different ecophysiological factors. Initially, the correlation between OTA production and different parameters of fungal growth determination (i.e., radial growth extension, biomass, dry weight, mycelium colony area) was measured in relation to time in a synthetic grape juice medium (SGM) (Chapter 3). Results showed that different growth responses were correlated and intra-species differences were highlighted. It was also found that higher OTA producers seemed to be better correlated with the measured growth parameters. Finally, a preliminary modelling approach was used to evaluate toxin formation taking inter-specificity into consideration, presenting high correlation between OTA kinetics and fungal growth. Further on, the transcription of the OTA key biosynthetic genes AcOTApks and AcOTAnrps, and global regulator laeA OTA related genes was investigated using Reverse Transcription quantitative PCR (RT-qPCR) (Chapter 4). The transcription levels of OTA key biosynthetic genes were assessed during growth of A. carbonarius in liquid SGM medium at different temperatures, water activity levels and incubation time. Gene expression was monitored at the same time points along with fungal biomass and OTA accumulation at three, six and nine days of incubation. Nevertheless, no general trend could be established regarding the effect of incubation temperature, water activity (aw) or time on gene expression. Moreover, the isolate specificity impact which was observed, underlined the complexity of gene expression responses. Early activation of both OTA biosynthetic key genes underlined the predictive nature of RT-qPCR analysis, since genes as molecular indicators were indeed expressed a few days before any OTA could be detected. In addition, the effect of clove, cinnamon, lemongrass and mandarin essential oils (EOs) on A. carbonarius growth and OTA regulation was also investigated (Chapter 5). The expression of the specific OTA related genes (AcOTApks, AcOTAnrps, and laeA) was characterized in SGM solid growth medium in response to EOs application. The antifungal activity of the selected EOs was affected by the different fungal isolates and media substrates (MEA, CYA, SGM). The influence of different EOs was dose dependent concerning their inhibitory effect. In most cases, relative expression profiles presented similar trends with OTA production among treatments and control samples, indicating a possible connection between transcript levels of the structural genes and ochratoxigenic activity. These results suggest that the specific genes may play a key role in the mechanism by which essential oils inhibit OTA production by A. carbonarius. Finally, co-cultivation of A. carbonarius with Lactic Acid Bacteria (LAB) effectively reduced OTA production in vitro in a strain-dependent manner (Chapter 6). The results indicated a significant diversity of growth profiles and toxin production in mixed fungal/LAB co-cultures. The in situ effect of fungal/LAB co-cultivation on grape berries was also studied in parallel to bacterial ability for attachment on grape skin surface and toxin inhibition with promising results. Finally, gene expression studies indicated a mixed response for all genes highlighting biological variability for both fungal and LAB microorganisms.

Η ωχρατοτοξίνη Α (ΩΤΑ) είναι ένας δευτερογενής μεταβολίτης που αποτελεί μια από τις πλέον διαδεδομένες μυκοτοξίνες, καθώς η παρουσία της στη διατροφική αλυσίδα προκαλεί σοβαρούς κινδύνους στην ανθρώπινη υγεία. Η επιμόλυνση των σταφυλιών με ΩΤΑ οφείλεται κυρίως στην παρουσία των μαύρων Ασπέργιλλων (Aspergillus section Nigri) μεταξύ των οποίων ο μύκητας Αspergillus carbonarius έχει αναγνωριστεί ως ο κύριος παραγωγός ΩΤΑ στα σταφύλια και στα παράγωγα προϊόντα (χυμός σταφυλιών, σταφίδες και οίνος). Ο μύκητας είναι δυνητικά παθογόνος, παρουσιάζει ευρεία διασπορά στο περιβάλλον και χαρακτηρίζεται από αξιοσημείωτη ικανότητα να ανθίσταται σε διάφορους παράγοντες καταπόνησης, γεγονός που του επιτρέπει να επιβιώνει σε μεγάλο εύρος κλιματολογικών συνθηκών και θρεπτικών υποστρωμάτων. Η συχνή παρουσία του μύκητα οφείλεται στην ταχεία ανάπτυξή του, η οποία συντελεί στην επιμόλυνση των σταφυλιών, ειδικότερα προς το τέλος του σταδίου του περκασμού (veraison). Σήμερα, η ΩΤΑ εξακολουθεί να αποτελεί σημαντική πρόκληση στο πλαίσιο των συνεχών προσπαθειών τήρησης των προδιαγραφών ασφάλειας των τροφίμων για την παραγωγή ποιοτικών οίνων και επιτραπέζιων σταφυλιών. Οι πρόσφατες μελέτες δείχνουν ότι η παραγωγή της ΩΤΑ είναι συνέπεια διαφόρων οικοφυσιολογικών αλληλεπιδράσεων σε μοριακό επίπεδο. Επομένως, τα τελευταία χρόνια το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας έχει εστιαστεί στη μελέτη των γενετικών παραμέτρων που σε συνδυασμό με περιβαλλοντικούς και βιολογικούς παράγοντες επηρεάζουν την παραγωγή ωχρατοξίνης. Στο πλαίσιο της εν λόγω διδακτορικής διατριβής μελετήθηκαν διαφορετικοί φαινότυποι του μύκητα A. carbonarius ως προς το δυναμικό παραγωγής τοξίνης, εστιάζοντας στην έκφραση των γονιδίων εκείνων που σχετίζονται με την παραγωγή ΩΤΑ υπό την επίδραση διαφορετικών οικοφυσιολογικών παραγόντων σε επίπεδο μεταγραφής. Αρχικά μελετήθηκε η συσχέτιση μεταξύ παραγωγής ΩΤΑ και διαφορετικών μεθόδων προσδιορισμού της ανάπτυξης (μεταβολή της διαμέτρου, της βιομάζας, του ξηρού βάρους και της επιφάνειας της μυκηλιακής αποικίας) του μύκητα A. carbonarius σε σχέση με το χρόνο, χρησιμοποιώντας συνθετικό υπόστρωμα χυμού σταφυλιών (SGM) (Κεφάλαιο 3). Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι όλες οι μέθοδοι προσδιορισμού της ανάπτυξης που μελετήθηκαν συσχετίστηκαν τόσο με την παραγωγή τοξίνης όσο και μεταξύ τους, τονίζοντας επίσης την ενδο-στελεχιακή παραλλακτικότητα που παρατηρήθηκε. Διαπιστώθηκε επίσης ότι οι απομονώσεις του μύκητα A. carbonarius που παρουσίασαν υψηλότερη παραγωγή τοξίνης συσχετίστηκαν καλύτερα με τις εκάστοτε παραμέτρους ανάπτυξης. Τέλος, έγινε προσπάθεια ανάπτυξης πρωτογενών μοντέλων συσχέτισης της ΩΤΑ με το χρόνο, λαμβάνοντας υπόψη τη διαστελεχική παραλλακτικότητα, τα οποία έδειξαν υψηλή συσχέτιση της κινητικής της ΩΤΑ με την ανάπτυξη του μήκυτα. Στη συνέχεια διερευνήθηκε η έκφραση σε μεταγραφικό επίπεδο των βιοσυνθετικών γονιδίων της ΩΤΑ, AcOTApks, AcOTAnrps και του μεταγραφικού παράγοντα laeA, που σχετίζεται με την παραγωγή της ΩΤΑ, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της αλυσιδωτής αντίδρασης της πολυμεράσης πραγματικού χρόνου (RT-qPCR) (Κεφάλαιο 4). Τα επίπεδα μεταγραφής των παραπάνω γονιδίων εκτιμήθηκαν κατά την ανάπτυξη του μύκητα A. carbonarius σε υγρό θρεπτικό μέσο SGM σε διαφορετικές τιμές θερμοκρασίας, ενεργότητας ύδατος και χρόνου ανάπτυξης. Η γονιδιακή έκφραση προσδιορίστηκε στα ίδια χρονικά σημεία μαζί με τη βιομάζα του μύκητα και την παραγωγή τοξίνης. Τα αποτελέσματα έδειξαν μεμονωμένες συσχετίσεις και όχι κάποια ευκρινή τάση σε σχέση με την επίδραση της θερμοκρασίας, της ενεργότητας ύδατος ή του χρόνου ανάπτυξης επί της γονιδιακής έκφρασης. Επίσης, τα αποτελέσματα εξαρτήθηκαν από το στέλεχος του μήκητα, γεγονός που υποδεικνύει την πολυπλοκότητα των αποκρίσεων σε επίπεδο γονιδιακής έκφρασης Η πρώιμη ενεργοποίηση των δύο βασικών βιοσυνθετικών γονιδίων της ωχρατοξίνης υπογράμμισε την προρρητική φύση της ανάλυσης RT-qPCR, εφόσον τα εν λόγω γονίδια, ως μοριακοί δείκτες εκφράζονται πριν την φαινοτυπική ανίχνευση της τοξίνης. Επιπλέον, μελετήθηκε η επίδραση των αιθερίων ελαίων γαρίφαλλου, κανέλλας, λεμονόχορτου και μανταρινιού στην ανάπτυξη του μύκητα A. carbonarius και στη βιοσύνθεση της ΩΤΑ (Κεφάλαιο 5). Η έκφραση των σχετιζόμενων με την παραγωγή τοξίνης γονιδίων προσδιορίστηκε σε υγρό υπόστρωμα SGM στο οποίο είχαν προστεθεί διαφορετικές συγκεντρώσεις των ανωτέρω αιθερίων ελαίων. Η αντιμυκητιακή τους δράση επηρεάστηκε από τις διαφορετικές απομονώσεις του μύκητα A. carbonarius καθώς και τα διαφορετικά υποστρώματα (ΜΕΑ, CYA, SGM). Η ανασταλτική δράση των διαφορετικών αιθερίων ελαίων ήταν ανάλογη της συγκέντωσης που χρησιμοποιήθηκε σε κάθε περίπτωση. Στις περισσότερες περιπτώσεις, η γονιδιακή έκφραση παρουσίασε παρόμοια τάση με την παραγωγή τοξίνης μεταξύ των μεταχειρήσεων (παρουσία αιθερίου ελαίου) και του μάρτυρα, γεγονός που μπορεί να υποδεικνύει πιθανή συσχέτιση μεταξύ των επιπέδων μεταγραφής των γονιδίων και της αντι-ωχρατοξινογόνου δράσης. Τα αποτελέσματα υποδηλώνουν την πιθανή επίδραση των συγκεκριμένων αιθερίων ελαίων στην έκφραση των υπό μελέτη γονιδίων και επομένως στην παραγωγή ΩΤΑ. Τέλος, μελετήθηκαν οι επιπτώσεις στην ανάπτυξη του μύκητα Α. carbonarius και στην παραγωγή ΩΤΑ κατά την in vitro συγκαλλιέργεια του μύκητα με διαφορετικά στελέχη του οξυγαλακτικού βακτηρίου Lactobacillus plantarum (Κεφάλαιο 6). Τα αποτελέσματα έδειξαν σημαντική μείωση της ανάπτυξης του μύκητα και της παραγωγής ΩΤΑ σε όλες τις περιπτώσεις συγκαλλιέργειας με τα οξυγαλακτικά βακτήρια. Διερευνήθηκε επίσης in situ η ικανότητα προσκόλλησης των βακτηριακών κυττάρων στην επιφάνεια των σταφυλιών και η επίδρασή τους στην αναστολή της παραγωγής ΩΤΑ με θετικά αποτελέσματα. Τέλος, η μελέτη της γονιδιακής έκφρασης έδειξε μικτές αποκρίσεις για όλα τα εξεταζόμενα γονίδια γεγονός που τονίζει την επίδραση της παραλλακτικότητας του στελέχους, όσον αφορά στις διαφορετικές απομομώσεις του μύκητα A. carbonarius αλλά και τα διαφορετικά στελέχη του βακτηρίου L. plantarum που χρησιμοποιήθηκαν.