Autor: ROJAS LÓPEZ-MENCHERO, Jorge
Título: Endophytic fungi from endemic plants as reservoirs of chemical diversity and biotechnological potential
Fecha: 2026
Materia: ---
Escuela: E.T.S. DE INGENIERÍA AGRONÓMICA, ALIMENTARIA Y DE BIOSISTEMAS
Departamento: SIN DEPARTAMENTO DEFINIDO
Acceso electrónico: https://oa.upm.es/94370/
Director/a(s):
- Director/a: GONZÁLEZ COLOMA, Azucena
- Director/a: IMPERIAL RÓDENAS, Juan
Resumen: This thesis explores the potential of endophytic fungi as sources of biopesticidal compounds. Endophytic fungi are organisms that live within plant tissues without causing harm to their hosts and are recognized as important sources of secondary metabolites. Endemic plants are particularly valuable hosts for their isolation, as they have the potential to contain undiscovered fungi able to produce novel compounds. In the current agricultural context, with rising concerns regarding the impact of chemical pesticides on human health and the environment, natural product-based biopesticides have emerged as a sustainable relevant alternative. The study focuses on the endophytic community of Bethencourtia palmensis, an endemic plant from the Canary Islands known to produce silphinene derivatives with significant insect antifeedant properties. In Chapter 1, the microbiota of B. palmensis, endemic to the islands of la Palma and Tenerife was studied. Plants from these populations showed clear chemical differences, supported by previous genetic studies, indicating potential differences in their endophytic microbiome. A screening of bioactive endophytic fungi from the two populations of B. palmensis (La Palma and Tenerife) was conducted. After isolating their endophytes and analyzing their fermentation extracts, a higher number of bioactive isolates were obtained from La Palma compared to Tenerife. In total, 35 strains displayed bioactivity against aphids, phytoparasitic nematodes, and/or phytopathogenic fungi. Metabolomic profiling of their fermentation extracts revealed over 80 potentially undescribed metabolites. Furthermore, fungal microbiome of one population (Tenerife) of B. palmensis was characterized through amplicon sequencing and compared with traditional culturing methods to assess which organisms can be effectively isolated. The study showed that both approaches are complementary rather than mutually exclusive and that each is necessary to capture the full diversity of the plants endophytic flora. In Chapter 2, Epicoccum sp. strain BPF3 was selected to undergo bioactivity-guided fractionation based on a high extract yield and strong bioactivity. This process led to the isolation of 2,3-dihydro-2-hydroxy-2,4-dimethyl-5-(trans-propenyl)furan-3-one (BPF3-1), a compound with novel broad biopesticidal activity. Fermentation optimization studies were carried out on the following strains selected for their capacity to produce bioactive compounds: Epicoccum sp. BPF3, Phyllosticta sp. YCC4 (isolated from Persea indica) and Stemphylium sp. AA22 (isolated from Artemisia absinthium). BPF3 achieved up to a 382% increase in BPF3-1 yield when co-cultivated with Botrytis cinerea. For YCC4, the production of bioactive dioxolanones was enhanced using microparticle-enhanced cultivation (MPEC) and solid adhesion fermentation (SAF). For AA22, stempholone A was successfully produced in liquid fermentation, although MPEC did not yield favorable results for its bioactive compounds. Chapter 3 includes the genome sequencing and taxonomical assignment of the previously mentioned strains, along with those of Stemphylium BPF8, Alternaria BPT4 (both from B. palmensis), and Penicillium PG (from P. indica). Their metabolic potential was assessed through biosynthetic gene cluster (BGC) analysis. Among them, BPF3 and BPF8 may represent new species within their genera, and across all strains, 83% of the identified BGCs were previously undescribed, suggesting the presence of new metabolic pathways and novel compounds. Additionally, genome mining identified candidate genes for the production of bioactive compounds in AA22, YCC4, and PG, while transcriptomic and differential expression analyses for BPF3 strain identified a likely T1PKS candidate cluster responsible for the biosynthesis of BPF3-1. ABSTRACT Esta tesis explora el potencial de los hongos endófitos como fuentes de compuestos bioplaguicidas. Los hongos endófitos son organismos que viven dentro de los tejidos vegetales sin dañar a sus hospedadores y están reconocidos como importantes fuentes de metabolitos secundarios. Las plantas endémicas son particularmente valiosas para su aislamiento, ya que tienen el potencial de contener hongos desconocidos capaces de producir compuestos novedosos. En el contexto agrícola actual, con la creciente preocupación por el impacto de los plaguicidas químicos en la salud humana y el medio ambiente, los bioplaguicidas basados en productos naturales han surgido como una relevante alternativa sostenible. El estudio se centra en la comunidad endofítica de Bethencourtia palmensis, una planta endémica de las Islas Canarias conocida por producir derivados de silfinenos con propiedades antialimentarias signiticativas contra insectos. En el capítulo 1, se estudió la microbiota de B. palmensis de dos poblaciones endémicas de La Palma y Tenerife. Las plantas de estas poblaciones mostraron diferencias químicas significativas respaldadas por previos estudios genéticos, que indicaban diferencias potenciales en su microbioma endofítico. Se realizó una bioprospección de hongos endófitos bioactivos de ambas poblaciones de B. palmensis. Tras el aislamiento de los hongos endófitos y el análisis de los compuestos producidos en fermentación, se han encontrado más aislados bioactivos en la isla de La Palma que en la de Tenerife. En total 35 cepas han mostrado bioactividad frente a plagas de pulgones, nematodos fitoparásitos y/o hongos fitopatógenos, y el estudio metabolómico de sus metabolitos ha revelado la presencia de más de 80 compuestos potencialmente no descritos. Además, el microbioma fúngico de una población (Tenerife) de B. palmensis se caracterizó mediante secuenciación de amplicones y se comparó con métodos de cultivo tradicionales con el fin de evaluar qué organismos pueden aislarse eficazmente de esta planta, mostrando que ambos enfoques son complementarios en lugar de excluyentes, y ambos son necesarios para captar la totalidad de la flora endofítica de la planta. En el Capítulo 2, se seleccionó la cepa BPF3 del hongo Epicoccum sp. para someterla a fraccionamiento biodirigido debido a su alto rendimiento de extracto y su bioactividad. Este proceso condujo al aislamiento de 2,3-dihidro-2-hidroxi-2,4-dimetil-5-(trans-propenil)furan-3-ona (BPF3-1), un compuesto con actividad bioplaguicida de amplio espectro no descrita hasta la fecha. Asímismo, se realizaron estudios de optimización de la fermentación en las cepas BPF3 de Epicoccum sp, YCC4 de Phyllosticta, (aislada de Persea indica), y la cepa AA22 de Stemphylium, (aislada de Artemisia absinthium). La productividad de BPF3 aumentó en co-cultivo con Botrytis cinerea, alcanzando un aumento de un 382% en el rendimiento de BPF3-1. En el caso de YCC4, se ha conseguido mejorar la producción de dioxolanonas bioactivas utilizando micropartículas en suspensión (MPEC) y soportes de adhesión (SAF) para optimizar la fermentación. En el caso de AA22, se ha logrado producir stempholona A en cultivo líquido, aunque el uso de micropartículas en suspensión no ha produjo resultados favorables. En el Capítulo 3 se incluyen la secuenciación del genoma y la asignación taxonómica de todas las cepas mencionadas anteriormente, junto con las cepas BPF8 y BPT4 de Stemphylium y Alternaria (aisladas de B. palmensis) y la cepa PG de Penicillium (aislada de P. indica) y se ha definido su capacidad metabólica mediante el estudio de sus clusters biosintéticos de metabolitos secundarios. Entre ellas, las cepas BPF3 y BPF8 podrían representar nuevas especies potenciales, y en el conjunto de cepas se ha encontrado un 83% de clusters no descritos hasta la fecha, lo que sugiere la existencia de posibles nuevas rutas metabólicas y compuestos. Además, mediante minería genómica se han propuesto genes candidatos para la producción de los compuestos bioactivos de AA22, YCC4 y PG, y mediante estudios transcriptómicos con RNA-seq y análisis de expresión diferencial se ha identificado un posible candidato responsable de la producción del compuesto BPF3-1.