Biotecnologie Microbiche Vegetali

NODULARE

- INDUCIBILE Sia il primordio che il meristema nodulare sono indotti dal batterio tramite i FATTORI NOD

- TRANSIENTE Il periodo che intercorre tra induzione e degradazione (senescenza) di un nodulo è

inferiore a quello della vita della pianta

- ALTAMENTE REGOLATA Numero di noduli, localizzazione, sviluppo, funzionalità, efficienza degli scambi

metabolici sono processi controllati principalmente dalla pianta

[5] ORGANOGENESI DEI NODULI AZOTOFISSATORI

INDUZIONE ALLA NODULAZIONE

- I peli radicali rilasciano una sostanza che attrae Rhizobium

- Rhizobium prolifera e provoca la formazione di un canale di infezione

- Le cellule corticali iniziano a dividersi 14

- Il canale d’infezione rilascia cellule batteriche che, nelle cellule radicali, diventano batteroidi. I fattori

NOD rilasciati dai batteri stimolano la divisione delle cellule della corticale

- Dalla cellule corticali infette, in rapida divisione, si forma il nodulo

FASI INTERMEDIE DELLA NODULAZIONE

- Simultaneamente all’allungamento del filo di infezione cellule della corteccia radicale rientrano nel

ciclo cellulare: attivazione mitotica = PRIMORDIO NODULARE

- Cellule riattivate della corteccia originano un MERISTEMA APICALE dividendosi varie volte in tutte le

direzioni e generando altre cellule meristematiche

- I fili di infezione invertono la direzione di crescita di 180° seguendo il meristema

- Dalle cellule della corteccia si forma un MERISTEMA GLOBULARE che origina il tessuto centrale e

vascolare

- Contemporaneamente all’attivazione mitotica delle cellule della radice, i batteri dal filo di infezione

invadono le cellule dello strato meristematico e smettono di dividersi

- Le cellule invase aumentano come numero e dimensione, il nodulo protrude dalla superficie della

radice

FASI TARDIVE DELLA NODULAZIONE

- Per ENDOCITOSI i batteri vengono rilasciati dal filo di infezione nel citoplasma di alcune cellule del

meristema

- Le cellule invase sono grandi, contengono ramificazioni del filo di infezione e sono piene di cellule

batteriche

- VESCICOLE ENDOCITOTICHE PRIMARIE: vescicole di invaginazione della membrana citoplasmatica (=

membrana peribatteroidale) che contengono cellule batteriche ancora in divisione (=batteroidi)

- SIMBIOSOMI: + batteroidi racchiusi dalla membrana peribatteroidale

- La membrana controlla gli scambi di nutrienti e di molecole segnale

SENESCENZA NODULARE

- Fase terminale dello sviluppo

- Diminuzione attività nitrogenasica e aumento attività litica

- Degradazione di batteroidi, citoplasma e organelli, membrana plasmatica e della parete cellulare

- Attivazione di enzimi proteolitici, diminuzione del contenuto in proteine citoplasmatiche

➔

- Diminuzione leg-emoglobina aumento specie reattive di O2

[6] FATTORI CHE REGOLANO LA SIMBIOSI

FLAVONOIDI

- Prodotti dalla pianta come essudati radicali

- Pigmenti fenolici antiossidanti essudati solo dalle porzioni di radici sensibili alla nodulazione

- Inducono l’espressione dei geni nod di Rhizobium

FATTORI NOD

- Prodotti da Rhizobium

- Lipo-Chito oligosaccaridi (scheletro di N-acetilglucosammina diversamente modificata) 15

- Molecole anfipatiche: • la frazione lipidica ancora la molecola alla membrana plasmatica delle

cellule vegetali • la frazione idrosolubile è in grado di indurre la divisione delle cellule corticali

- Attivi a basse concentrazioni (10-11 M) • Inducono la formazione dei primordi nodulari alterando il

bilancio ormonale (auxine) ed inducendo attivazione mitotica

POLISACCARIDI

- Secreti da Rhizobium

- Lipopolisaccaridi, esopolisaccaridi, etero-, omopolisaccaridi

- Si legano con alta affinità e specificità alle lectine (proteine vegetali sulla superficie del pelo

radicale)

- Influenzano l’invasione dei primordi attraverso il filo di infezione

- Inibiscono le risposte di difesa della pianta durante l’invasione batterica

[7] REGOLAZIONE DELLA FISSAZIONE DELL’AZOTO

Il processo di fissazione di N richiede molta energia, la sintesi e l’attività degli enzimi coinvolti sono quindi

finemente regolati

REGOLAZIONE DELL’ATTIVITÀ ENZIMATICA

- Effetto “switch off” dell’ammoniaca: quando nella cellula c’è un eccesso di NH3, provoca un

cambiamento conformazionale della dinitrogenasi reduttasi che causa l’immediata perdita di attività

dell’enzima

- Quando i livelli di NH3 diminuiscono, l’enzima è riconvertito nella forma attiva e riprende la fissazione

di N2

REGOLAZIONE A LIVELLO DELLA TRASCRIZIONE

- Proteina NtrC = la sua attività è regolata dalla disponibilità di N nella cellula. Quando NH3 è limitante

promuove la trascrizione del gene nifA che produce la proteina NifA

- Proteina NifA = regolatore trascrizionale positivo che attiva la trascrizione dei geni nif strutturali

quando c’è carenza di NH3

- Proteina NifL = regolatore trascrizionale negativo: contiene una molecola di FAD che percepisce la

presenza di O2. In presenza di O2 NifL blocca la trascrizione dei geni nif

[8] SCAMBI METABOLICI NELLA SIMBIOSI

FASI INIZIALI

- La produzione di flavonoidi è indotta da carenza di N. I batteri crescono all’interno dei fili di infezione

ed all’interno delle cellule ospiti invase prima dell’attivazione della nitrogenasi

- Nelle fasi iniziali dell’interazione la pianta fornisce a Rhizobium amminoacidi come fonte di N e C

(essudati, lisi cellule corticali, vescicole del Golgi)

FASI INTERMEDIE

FASI TARDIVE

- La pianta fornisce ACIDI DICARBOSSILICI [intermedi del CICLO DI JREBS] (succinico, fumarico, malico)

come fonte di C trasportati dal citoplasma della cellula ospite al citoplasma dei batteroidi

- Rhizobium fornisce alla pianta principalmente AMMONIO 16

SIMBIOSI MICORRIZICHE E ATTINORRIZICHE

[1] SIMBIOSI ATTINORRIZICHE

- Si intendono simbiosi azotofissatrici tra attinobatteri azotofissatori e le radici di piante superiori

legnose

- L’attinomicete appartiene al genere Frankia

- La struttura tipica delle simbiosi attinorriziche è un sistema di radici secondarie modificate detto

ATTINORRIZA o NODULO RADICALE.

- L’attinorriza è il risultato di un dialogo molecolare tra il batterio e le cellule radicali. Questo dialogo

guida: riconoscimento, penetrazione e formazione della simbiosi (ancora poche conoscenze)

- Nei tessuti nell’attinorriza si differenziano VESCICOLE dove avviene l’azoto fissazione: Frankia

riduce N2 ad ammonio e questo viene traslocato nella pianta ospite come acido glutammico

FRANKIA

- Cellule procariotiche filamentose, ramificate e settate: si sviluppano sotto forma di MICROMICELIO

- Non forma micelio aereo, ma differenzia le vescicole: terminazioni sferiche internamente settate

- All’apice di corte ramificazioni forma SPORANGI MULTILOCULARI

- Le spore sono pigmentate, ma anche microife vegetative possono produrre pigmenti

- Mesofili, chemioorganotrofi, microaerofili, crescita lenta (duplicazione 17 gg)

- Elevata specificità d’ospite: ceppi che infettano una sola specie, ceppi che possono infettare più

specie della stessa famiglia botanica

- Combinazioni diverse di attinosimbionte e pianta ospite possono avere diversi livelli di efficienza

probiotica

- 3 gruppi a seconda della pianta ospite: Alnus , Casuarina , Eleagnus

FORMAZIONE DELL’ATTINORRIZIA

1. INFEZIONE: Frankia infetta le radici con modalità diverse a seconda della pianta ospite (tramite peli

radicali, attraverso la lamella mediana delle cellule epidermiche…)

2. SVILUPPO DEL NODULO: Frankia invade le cellule corticali della radice. Le pareti primarie delle cellule

radicali formano una matrice che separa le microife dal citoplasma. Le attinorrize hanno struttura

coralloide, composte da radici corte (LOBI) ramificate in modo dicotomico

3. VESCICOLE: Nelle cellule corticali più vicine all’apice del lobo nodulare si differenziano solo ife. Nei

tessuti maturi, generalmente adiacenti alla parete della cellula ospite, vengono differenziate le

vescicole sede dell’Nfix. Le vescicole hanno diversa morfologia, sempre tipica della pianta ospite.

Sono cellule sferiche con preti ricche di lipidi OPANOIDI che hanno la funzione di isolare la

NITROGENASI da O2

PIANTE ATTINORRIZICHE

200 specie di ANGIOSPERME, tassonomicamente distanti (7 ordini) • Dicotiledoni perenni, arboree o

arbustive (erbacea solo Datisca ) • 4 generi endemici in Italia: Alnus, Coriaria, Dryas, Hippophaë • 3 generi

diffusi a scopo ornamentale: Casuarina, Ceanothus, Eleagnus

PIANTE PIONIERE:

- colonizzano suoli anomali, poveri di N, sabbiosi, detritici, aree sommerse

- Vegetazione pioniera dopo eventi catastrofici: incendi, alluvioni, frane

- Ubiquitarie su suoli poveri 17

APPLICAZIONE:

- Utili in applicazioni agroforestali, ripristino ambientale, ingegneria naturalistica

- Contributo alla fertilità dei suoli: fonte di sostanza lignocellulosica a basso C/N

- Incrementano la crescita fino all’80% di piante non attinorriziche (diametro e altezza): le loro foglie

sono ricche in N e favoriscono la nutrizione azotata di piante consociate in suoli carenti di N

- Impiegate con successo per favorire la crescita di “latifoglie nobili” negli impianti di alboricoltura

da legno

[2] MICORRIZIE

- Il 90% piante terrestri stabilisce a livello radicale SIMBIOSI MUTUALISTICHE con FUNGHI MICORRIZICI

- I funghi colonizzano i tessuti della radice formando una rete ifale molto più estesa di quella radicale,

traslocando alla radice acqua e nutrienti minerali

➔TRASFERIMENTO

SIMBIOSI MICORRIZICA BIDIREZIONALE DI NUTRIENTI:

PIANTE FUNGHI (micorrizici)

forniscono al fungo zuccheri prodotti della sono simbionti obbligati

fotosintesi assorbono i nutrienti inorganici dal suolo

Le piante micorrizate hanno una crescita più producono fattori di crescita che inducono

rigogliosa (apporto di nutrienti) ed una maggiore alterazioni morfologiche nelle radici stimolando la

tolleranza a stress biotici ed abiotici, ma non formazione dello stato micorrizico.

dipendono dal fungo

WOOD WIDE WEB

- Le ife fungine interagiscono con la radice e contemporaneamente esplorano il suolo

- Piante MICOETEROTROFE non sono fotosintetiche e dipendono dal fungo per la nutrizione

- Connessioni ifali tra radici di piante diverse (della stessa o di diverse specie)

- Trasferimento di nutrienti organici ed inorganici da pianta a pianta attraverso il fungo secondo un

gradiente di concentrazione

[3] BIODIVERSITA’ DELLE MICORRIZIE

ECTOMICORRIZIE

- 5000 specie, basidiomiceti ed ascomiceti. Diffuse in ecos forestali con accumulo di sostanza organica

- Il fungo cresce attorno alle radici assorbenti formando un mantello di ife (MICOCLENA) avvolgendo

interamente gli apici radicali

- All’interno delle radici il fungo penetra nel tessuto corticale INTERCELLULARE formando