Επίδραση του περιβάλλοντος στην ποιότητα κονδύλων πατάτας ως προϊόν υψηλής αξίας με -ομικές τεχνολογίες

Abstract

Potato (Solanum tuberosum L.) stands as an annual plant belonging to the Solanaceae family and is considered the third most important crop species globally due to its high nutritional value. "Terroir" has been widely employed to link various geographic phenotypes with the identity of food products, influenced by agricultural practices, soil type, and climate. In this study, large-scale -omics technologies, including RNA sequencing (RNAseq), Whole Genome Bisulfite Sequencing (WGBS), and Liquid Chromatography-Mass Spectrometry (LC-MS/MS), were employed to explore the molecular signatures underlying the "terroir" of PGI potatoes from Naxos Island. Additionally, 16S rRNA long-read metagenomics was utilized to investigate the microbial profile in both potato tubers and soil samples. Finally, a multi-omics approach, involving dual and triple analyses, was utilized. To comprehend the characteristics tubers the quality of Naxos PGI potato tubers, a comparative analysis was conducted with potatoes from Lakoma, Chalkidiki. By integrating multiple omics datasets, the study identified potential biomarkers using a causal model, revealing significant epigenetic plasticity events in potatoes. Furthermore, a novel pipeline for the authentication of PDO products was proposed. Specifically, putative epimarkers, such as the hypermethylation of DETOXIFICATION 18 (Soltu.Atl.104G001390), were pinpointed, offering potential applications in identifying the tissue of origin in plant products and evaluating post-harvest food quality. The results underscored the profound influence of different potato terroirs on the composition and diversity of the microbial community, with the island “terroir” exhibiting a richer microbial composition. Notably, the metagenomic analysis unveiled the prevalence of Neobacillus bacteria in Naxos potato tubers and soil samples, with significantly higher abundance levels compared to the control region of Lakoma. Leveraging soil analysis alongside microbial mapping could prove instrumental not only in deepening our understanding of their impact on potato production, but also for developing potential biomarkers for their identification. This study provides valuable information on the interactions between genotype, environment and microbial communities, paving the way for the development of improved protocols for the certification and quality assessment of potato tubers and other agricultural products.

Η πατάτα (Solanum tuberosum L.) είναι ένα ετήσιο φυτό που ανήκει στην οικογένεια των Σολανωδών (Solanaceae) και θεωρείται το τρίτο σημαντικότερο καλλιεργούμενο είδος παγκοσμίως λόγω της υψηλής διατροφικής του αξίας. Το «terroir» έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως για να συνδέσει διάφορους γεωγραφικούς φαινοτύπους με την ταυτότητα των διατροφικών προϊόντων, που επηρεάζονται από τις γεωργικές πρακτικές, τον τύπο του εδάφους και το κλίμα. Στην παρούσα μελέτη, χρησιμοποιήθηκαν τεχνολογίες -omics μεγάλης κλίμακας, συμπεριλαμβανομένης της αλληλούχησης RNA (RNAseq), της αλληλούχησης Whole Genome Bisulfite Sequencing (WGBS) και της υγρής χρωματογραφίας-φασματομετρίας μάζας (LC-MS/MS), για τη διερεύνηση της μοριακής ταυτότητας που διέπει το «terroir» της πατάτας Νάξου ΠΓΕ. Επιπλέον, χρησιμοποιήθηκε η μεταγονιδιωματική ανάλυση μακράς ανάγνωσης 16S rRNA για τη διερεύνηση του μικροβιακού προφίλ τόσο σε κονδύλους πατάτας όσο και σε δείγματα εδάφους. Τέλος, χρησιμοποιήθηκε μια multi-ομική προσέγγιση, η οποία περιλάμβανε διπλή και τριπλή ανάλυση. Για να κατανοηθούν τα χαρακτηριστικά που καθορίζουν την ποιότητα των κονδύλων πατάτας ΠΓΕ Νάξου, πραγματοποιήθηκε συγκριτική ανάλυση με κονδύλους από το Λάκκωμα Χαλκιδικής. Ενσωματώνοντας πολλαπλά σύνολα δεδομένων -omics, η μελέτη εντόπισε πιθανούς βιοδείκτες κονδύλων χρησιμοποιώντας ένα αιτιατό μοντέλο, φανερώνοντας σημαντικά επιγενετικά γεγονότα πλαστικότητας. Επιπλέον, προτάθηκε ένας καινοτόμος μηχανισμός για την πιστοποίηση της γνησιότητας των ΠΓΕ προϊόντων. Συγκεκριμένα, εντοπίστηκαν πιθανοί επι-δείκτες, όπως η υπερμεθυλίωση του DETOXIFICATION 18 (Soltu.Atl.104G001390), που θα μπορούσαν να εφαρμοστούν δυνητικά στην ιχνηλασιμότητα και στην αξιολόγηση της ποιότητας των τροφίμων μετασυλλεκτικά. Τα αποτελέσματα της μεταγονιδιωματικής ανάλυσης τόνισαν τη σημαντική επίδραση των διαφορετικών εδαφολογικών συνθηκών της πατάτας στη σύνθεση και την ποικιλομορφία της μικροβιακής κοινότητας, με το νησιωτικό «terroir» να παρουσιάζει πλουσιότερη μικροβιακή σύνθεση. Ειδικότερα, η μεταγονιδιωματική ανάλυση αποκάλυψε την κυριαρχία των βακτηρίων Neobacillus στους κονδύλους πατάτας της Νάξου και στα δείγματα εδάφους, με σημαντικά υψηλότερα επίπεδα αφθονίας σε σύγκριση με την περιοχή αναφοράς του Λακκώματος. Η αξιοποίηση της ανάλυσης του εδάφους παράλληλα με τη χαρτογράφηση των μικροβίων θα μπορούσε να αποδειχθεί σημαντική όχι μόνο για την κατανόηση των επιπτώσεών τους στην παραγωγή πατάτας, αλλά και για την ανάπτυξη πιθανών βιοδεικτών για την ταυτοποίηση τους. Η μελέτη αυτή προσφέρει πολύτιμες πληροφορίες για τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ γενοτύπου, περιβάλλοντος και μικροβιακών κοινοτήτων, ανοίγοντας το δρόμο για τη δημιουργία βελτιωμένων πρωτοκόλλων πιστοποίησης και αξιολόγησης της ποιότητας κονδύλων πατάτας και άλλων γεωργικών προϊόντων.