Biotecnologia per la difesa delle piante - Appunti

BIOTECNOLOGIE DIFESA PIANTE Prof. E. Stefani

La patologia vegetale è una scienza che studia le malattie, studia quindi le interazioni tra bionti, lo

scopo è quello di migliorare la sopravvivenza, la produttività in termini agronomici delle piante o

dei sistemi agro vegetali, la patologia vegetale ha 2 ampi settori se andiamo a considerare la

tipologia degli agenti patogeni, alterazione dovuta a fattori biotici ed alterazione dovuti ad agenti

abiotici, fattori agro ambientali sfavorevoli ed entrambe queste 2 aree possono essere di grande

interesse per le biotecnologie per la difesa, pensiamo a tutti gli sforzi che i genetisti stanno facendo

per sviluppare ibridi resistenti ad una elevata salinità, oppure alla siccità, soprattutto in ambienti

estremi o ambienti che si stanno estremizzando. Un altro argomento molto moderno riguarda

interazioni con agenti abiotici e quello del molecolar farming: sviluppo di produzioni vegetali

modificando l’ambiente di produzione quindi il suolo, in modo da ottenere particolari caratteristiche

del prodotto o un miglioramento del terreno agricolo (bio rimediation) ad esempio 10-15 anni di

pesco in un’area rende il terreno non + idoneo alla coltivazione del pesco perché vengono rilasciate

delle sostanze che provocano quella che si chiama stanchezza del terreno, il molecolar farming può

servire per rimediare questo problema, quindi studiare delle rotazioni idonee per avere anno dopo

anno una buona produttività e soprattutto per rimediare ai danni causati dalle colture precedenti.

Durante il corso verranno approfonditi tutti gli aspetti che interessano l’interazione ospite-patogeno

cioè pianta ospite e agente biotico patogeno.

Bisogna definire quale è il concetto di malattia per individuare l’ambito in cui andiamo ad operare,

ce ne sono tante di definizioni non molto corrispondenti, io ne ho scelti 2 che non sono esattamente

=, il primo, + comune e + antico definisce il termine malattia quando le ‘’normali’’ funzioni

fisiologiche della pianta sono interrotte, alterate, inibite da fattori interni o esterni di origine biotica

o abiotica, ci sono cose che però questa definizione non riesce a spiegare, per esempio abbiamo casi

in cui una malattia può rendere maggiormente prezioso un prodotto agricolo, abbiamo ad esempio

alterazioni virali ad esempio che danno valore a delle piante ornamentali.

Quindi altra definizione migliore: si parla di malattia quando la risposta e le cellule a stimoli di

organismi patogeni o fattori agro ambientali avversi alterano forma, vitalità, integrità della pianta e

portano a uno squilibrio vegetativo o a morte, in questo caso non si parla di valore della produzione,

certamente che il valore della produzione è notevole, da non dimenticare tutte quelle alterazioni di

piante spontanee che non interessano economicamente l’agricoltore, dimenticando molto spesso che

agenti patogeni possono essere trasferiti da piante spontanee a piante coltivate e in virologia

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vegetale vedremo la grande importanza che hanno le piante serbatoio, piante spontanee di cui

nemmeno si conoscono tutti i virus o fitoplasmi che possono ospitare, la loro importanza virosica è

stata spesso sottovalutata ed è stata rivalutata ultimamente. Noi abbiamo la possibilità di piante che

possono ospitare patogeni, i + diversi senza mostrare alcun sintomo di malattia, questo è un altro

problema di definizione, abbiamo anche tutto il problema delle infezioni latenti quindi tutto il

problemi di interazione genetiche, molecolari tra un patogeno che è certamente patogeno perché ha

dei geni di patogeneticità o dei cluster particolari, ma all’interno di una pianta spontanea, di un

chenopodium, un amarantus, una portulaca (infestanti) questi geni non vengono espressi, sono

presenti, il patogeno è presente, vive, ma non esprime nulla, quindi l’importanza di queste piante

spontanee e anche coltivate, ci sono piante coltivate che possono ospitare virus senza mostrare in

tutta la loro vita dei sintomi ma servono da serbatoio e il patogeno, il virus può essere tramite un

insetto vettore trasportato da questa pianta serbatoio e una pianta di specie diversa su cui il sintomo

dopo un certo periodo di tempo diventa visibile, perché questi geni di patogenecità, questi cluster

riescono ad essere espressi, vedremo dal punto di vista molecolare come si instaura una malattia dal

punto di vista molecolare. Quindi ci sono molte definizioni ma parziali perchè non si prende in

considerazione tutta la flora spontanea o la flora coltivata che però non mostra sintomi, non viene

infettata da questi agenti biotici. Il corso viene concepito in tre parti, nella prima parte vedremo di

esaminare le interazioni cioè gli agenti biotici con le piante e l’ambiente, capire in che cosa consiste

una malattia, quando avremo capito il vero significato delle interazioni e tutte le possibilità che

queste interazioni hanno andremo ad esaminare la basi molecolari delle malattie, terza parte faremo

gli interventi biotecnologici per il controllo delle malattie ed il miglioramento della produttività

vegetale con le varie tecniche che vanno la silenziamento genico, l’uso di molecole segnale etc.

Quindi vedremo per le basi molecolari, durante l’interazione ad esempio un conidio fungino viaggia

con l’aria e si posa su una foglia, ad esempio se si posa su una foglia di melo avremo lo sviluppo

della malattia, se si posa su una foglia di susino no, perché in un caso si o nell’altro no? Perché ci

deve essere un colloquio molecolare, come fa il conidio a capire che è sulla foglia di melo?

Certamente ci sarà una correlazione chimica, questo comporta la presenza di recettori specifici, cosa

è il recettore? Dove è il recettore? Che tipo di recettore è? Che tipo di molecola questo recettore

sente? Una volta che l’ha sentito cosa fa il recettore? Deve trasmettere una informazione e la

trasmette come, dove, ha intermedi? Se riusciamo a capire tutti questi eventi riusciamo ad

intervenire.

Non possono mancare un paio di annotazioni storiche, negli anni 50’ i primi ricercatori riescono a

rigenerare in vitro intere piante, le colture cellulari furono già iniziate negli anni 30’, prima della

guerra mondiale, ma si capì solamente negli anni 40’ e 50’ che si poteva da un lato rigenerare in

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vitro intere piante da apici meristematici, successivamente anche embriogenesi da cellule

somatiche, ma queste tecniche permettevano il risanamento di piante ammalate e sono tecniche

ancora oggi in uso, ad esempio si producono delle piante virus esenti o anche batteri esenti perché

c’è il rischio che l’apice meristematico delle cellule in moltiplicazione sono cellule di norma non

colonizzate dai patogeni sia virali o batterici o fitoplasmi, quindi da lì si parte per lo sviluppo di

piante esenti da malattie, però si facevano, ma non si capiva ancora nulla delle basi molecolari della

malattia, solamente negli anni 60’/70’ si è cominciato ad usare dei protoplasti per studiare i

meccanismi di infezione virale, sono gli anni in cui si scoprono le malattie virali e oggi sono diverse

centinaia, l’uso dei protoplasti permette di capire come i virus possono causare malattie, permettono

di conoscere l’azione delle tossine, batteri, funghi, virus producono delle tossine, delle sostanze ad

azione velenosa, tossica per le piante e quindi queste tecniche permettono di generare ibridi con

diversi gradi di resistenza ai diversi patogeni, + o – negli stessi anni 70/90 è stato approfondito lo

studio sulla interazione piante agrobatteri, sono batteri che provocano neoplasie, tumori nelle piante

e lo studio dell’interazione molecolare ha permesso a qualcuno di utilizzare questo sistema per

trasformare le piante, gli agrobatteri hanno questa capacità di traslocare sequenze nucleotidiche

all’interno della cellula vegetale dove vengono integrate nel genoma, si ha l’inizio per avere piante

geneticamente modificate; anni 80/90 l’induzione di resistenza sistemica con molecole segnale

quindi è possibile lavorare ‘’immunizzando’’ le piante, le piante non hanno un sistema immunitario

come gli animali, quindi non è possibile parlare di immunizzazione, si parla di induzione di

resistenza sistemica quindi di indurre uno stato di sensibilizzazione della pianta in modo che quando

arriva un patogeno compatibile questa pianta ha già attivato dei meccanismi locali o generali per

contrastare l’infezione, questo lo si può fare con delle particolari molecole segnale che sono sia di

produzione del patogeno che di produzione del vegetale stesso e si sta ancora lavorando

sull’induzione della resistenza sistemica perché è una tecnica molto bella, trovata la molecola non si

fa altro che applicarla sulle piante e queste almeno per una certa fase della loro vita resistono

meglio alle malattie, accettano sopportano le aggressioni dei patogeni. C’è una cosa da dire rispetto

a queste 2 tecniche: noi abbiamo nei sistemi agrari piante annuali, biennali o poliennali, quale

tecnica si può scegliere per contrastare le malattie? Certamente una vite deve andare avanti 30/40

anni, in questo caso una pianta trasformata va avanti fino a morte, in questo altro caso invece una

induzione di resistenza è sempre limitata nel tempo, parlare di induzione di resistenza di molecole

segnale in vite vuol dire che devo sempre spruzzarle queste piante anno dopo anno con possibili

effetti collaterali come hanno dimostrato con le pomaceae, però ci sono anche colture come il

pomodoro che vanno avanti poche settimane, pochi mesi, ecco che lì una tecnica di questo tipo,

quindi l’uso di molecole segnale 2 trattamenti in serra, il pomodoro va a maturazione si raccoglie e

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si butta tutto il resto, quindi è una tecnica che permette di contrastare alcune malattie in alternativa

alla trasformazione delle piante che non è mai bene accetta dal consumatore, infine alle fine degli

anni 90’ il silenziamento genico, il premio nobel per la medicina per il 2006 è andato a 2 ricercatori

americani per il silenziamento genico che molto onestamente hanno ringraziamento chi ha scoperto

il singolo gene che sono stati 2 fisiologi vegetali alla sapienza di Roma, il merito di questi

ricercatori americani fu quello di capire che queste potenzialità potevano avere un riscontro nel

settore clinico, cosa che poi ha portato al premio nobel.

Categoria di organismi che causa malattie delle piante: sono categorie con delle piccole annotazioni,

ci sono anche in patologia clinica e veterinaria dei virus, dei micoplasmi, batteri, vari funghi omiceti

con la sola differenza che in patologia clinica e veterinaria non si conoscono tiroidi, i tiroidi sono

specifici della patologia vegetale al momento, ci sono alcune malattie negli animali e nell’uomo

causate da un agente che non è presente in questo elenco, l’elenco è completo tranne 1, i prioni al

memento non si conoscono in patologia vegetale, ci sono funghi patogeni vegetali che non sono

mici tossine ma potenti allergeni.

Ci sono ancora malattie ad eziologia sconosciute, abbiamo il deperimento della quercia che sta

causando notevoli problemi alle foreste del centro e nord europa, nord america, l’eziologia è

sconosciuta, non sono molte le malattie sconosciute nonostante tutte le tecniche molecolari non si

riesce a capire. È importante riprodurre una malattia perché in patologia vegetale è importante la

verifica dei postulati di kock.

Iniziamo il corso parlando del parassitismo, dell’interazione: si chiama parassitismo questa

interazione perché i patogeni sono agenti biotici quelli che noi trattiamo nel corso, ci sono però

diverse tipologie di interazione che a volte sono importanti per la patologia vegetale anche se non

parliamo di parassitismo, io ho individuato tre possibili interazioni: il commensalismo quindi piante

che convivono con microrganismi, batteri, funghi, semplicemente condividono la fonte, poi

abbiamo simbiosi e parassitismo che sono differenziati dalla utilità o dal danno, sono interazioni

vere e proprie, sono interazioni molecolari, in un caso si parla di simbiosi e nell’altro di

parassitismo perché l’uomo è profondamente utilitaristico quindi in un caso l’interazione tra i 2

bionti è utile come ad esempio le micorrize interazione che porta a una maggiore capacità nutritiva,

metabolica delle radici, sono interazioni molecolari come se fossero malattie però essendo il

risultato utile economicamente all’uomo si parla di simbiosi, si preferisce limitare il discorso

parassitismo quando c’è un danno economico principalmente e nel parassitismo riconosciamo 2

attori principali: un patogeno e un ospite, il parassitismo può essere caratterizzato ulteriormente in

base all’ecologia, all’epidemiologiia, al metabolismo dei patogeni. Come patogeni noi possiamo

avere organismi biotrofici, necrotrofici o saprofiti, è importante avere presente queste categorie

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perché ogni categoria agisce dal punto di vista molecolare diverso, usa delle armi diverse, è chiaro

che un organismo biotrofico ha la necessità di mantenere il tessuto vegetale vivo il + a lungo

possibile per nutrirsi, mentre un patogeno necrotrofico per vivere deve cibarsi di qualcosa di morto,

di una cellula già degenerata per esempio approfondiremo l’importanza degli enzimi pectolitici o

cellulosolitici, è chiaro che un patogeno necrotrofico si baserà delle sue strategie di lotta di un

corredo enzimatico distruttivo per la cellula vegetale, mentre un organismo biotrofico deve

penetrare all’interno dell’ospite nel modo + ‘’soft’’ possibile e cibandosi della cellula vegetale

convivendo con la cellula, gli organismi saprofiti sono organismi che vivono a spese del tessuto

vegetale sia esso vivo, sia esso morto, sono importanti ecologicamente perché sono anche chiamati

agenti di degradazione.

Parassitismo e sviluppo delle malattie: una malattia può essere rappresentata graficamente come una

piramide, si chiama modello piramidale delle malattie (o triangolo delle malattie), è una

rappresentazione grafica per avere sotto gli occhi una qnt di malattia, la piramide può avere una

forma diversa a seconda di come variano gli spigoli, il modello piramidale prende in considerazione

una piramide i cui spigoli sono gli attori che intervengono nello sviluppo della malattia, il patogeno,

l’ospite, l’ambiente e c’è una quarta variabile che alcuni autori non considerano che è l’altezza della

piramide ed è il tempo, il tempo inteso come durata dell’interazione, è chiaro che variando queste

qnt la piramide può avere un volume + o – grande o una forma + o – strana, le variazioni di questi 4

fattori: patogeno, ospite, ambiente e tempo di interazioni mi determina con delle formule molto

precise la qnt di malattia intesa come incidenza e/o severità e sulla conoscenza di questi 2 aspetti

andiamo a lavorare con il miglioramento genetico, incidenza è intesa come numero di individui

malati su una popolazione totale, quindi può essere 10 spighe di grano su 100, una percentuale,

severità è una parola italiana che a me piace, deriva dall’inglese severity, severità mi descrive la

gravità del sintomo ad esempio *** prendiamo 2 malattie che voi conoscete, la ticchiolatura del

melo e il giallume della vite, abbiamo un fungo da una parte che è venturia inequalis che colpisce

diverse varietà di melo, dall’altra parte abbiamo alcuni fitoplasmi che causano questa alterazione

che sono i giallumi della vite, se tu avessi un meleto preferisci elevata incidenza e bassa severità

nella ticchiolatura o bassa incidenza ed elevata severità? È importante perché questo è uno dei punti

cruciali della ricerca biotecnologica per quanto riguarda la patologia vegetale, se voi non sapete se

agire sull’incidenza o sulla severità non ha senso fare biotecnologie, abbiamo detto che incidenza i

rappresenta una percentuale di individui ammalati su una totalità di individui, come severità

intendiamo la gravità del sintomo. Dipende chiaramente dal modello piramidale, gli attori in un

contesto o nell’altro reagiscono in un modo diverso, io sto cercando di capire il nemico, il patogeno

come agisce per individuare la strategia di intervento, questo patogeno mi va ad agire sull’incidenza

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o sulla severità? Il mio materiale genetico, i miei genotipi mostrano + debolezza nell’aspetto

incidenza o nell’aspetto severità? Se ho un genotipo altamente suscettibile posso avere elevata

incidenza ed elevata severità chiaramente, però questi sono 2 genotipi come ad esempio sciardonè,

alta severità e bassa incidenza, avete un meleto con elevata incidenza e bassa severità, io ho bisogno

di avere il numero minore di mele possibile con delle macchie quindi entra in gioco un aspetto

commerciale, quindi mi serve un genotipo non che sia tollerante, ma che sia resistente, di quello

tollerante non mi interessa niente perché mi arriva il patogeno e mi fa una macchia su tutte le mele

che non vendo oppure vendo a basso prezzo, mentre per la vite preferisco una elevata incidenza

perché mi concede di avere un raccolto, la vite tollera, quindi un genotipo tollerante mi dà una

elevata incidenza ma siccome l’organo principale infetto è la foglia e solo in subordine quando la

severità è molto elevata viene infettato anche il grappolo, io vado a vedere magari una elevata

incidenza però con bassa severità raccolgo + o – la produzione normale, questi sono aspetti che il

biotecnologo deve conoscere. Vediamo le 4 variabili: variabile patogeno, è variabile perché i

patogeni si differenziano non solo per specie e genere ma ciascuna specie o ciascun taxon sub

specifico si differenzia per delle peculiarità biologiche, ecologiche, genetiche, fenotipiche, la