Ecologia fungina

Struttura e organizzazione vegetativa dei funghi

Il tallo fungino

I funghi (o miceti) costituiscono un grosso, eterogeneo e cosmopolita gruppo di organismi eterotrofi, viventi come saprofiti, parassiti o associati in simbiosi con altri organismi. La loro struttura è generalmente miceliare, costituita cioè da un complesso ramificato di ife multinucleate. Queste sono filamenti di diametro variabile da 3 a 10 µm, che crescono apicalmente e formano ramificazioni laterali e il cui protoplasma è contenuto in una parete. Le sostanze alimentari vengono assorbite da tutta la superficie miceliare, il che rappresenta un sistema di particolare efficienza nell'utilizzazione del substrato.

A un periodo più o meno lungo di crescita vegetativa segue lo stadio di riproduzione con la formazione di spore, corpi uni o pluricellulari capaci di originare nuovi individui. Benché l'ifa rappresenti la caratteristica fondamentale dei funghi, essa non è in realtà presente in tutti i membri del gruppo. Nei miceti più semplici, compresi nella suddivisione Mastigomycotina, la struttura vegetativa, o tallo, è rappresentata da una singola cellula che a maturità si trasforma completamente in strutture riproduttive. Questo tipo di tallo viene chiamato olocarpico.

Il tallo della maggior parte dei funghi è invece eucarpico, differenziato cioè in porzioni vegetative e riproduttive. Stadi intermedi di transizione dall'olocarpia all'eucarpia sono riscontrabili tra gli organismi appartenenti alla citata suddivisione sistematica. Il tallo maturo può ad esempio consistere di un organo riproduttivo e di un sistema di ramificazioni vegetative ad apice assottigliato (rizoidi). Attraverso varie fasi evolutive viene raggiunta l'organizzazione eucarpica.

Una situazione particolare si riscontra nei lieviti, che non presentano vere e proprie ife. La colonia di questi funghi è costituita da cellule singole che si moltiplicano per gemmazione o per scissione.

• Nei lieviti gemmanti la cellula madre sviluppa sulla superficie una protuberanza che successivamente aumenta di dimensioni fino a raggiungere quelle della madre e ne viene quindi separata. Una singola cellula può originare una o più gemme.
• Negli altri lieviti ciascuna cellula si divide in due a seguito della formazione di un setto trasversale.

Diversi funghi miceliari, in particolari condizioni, sviluppano in modo simile a quello dei lieviti. Le cause di questo dimorfismo possono essere molteplici e la trasformazione è sempre reversibile. Funghi miceliari su substrati artificiali possono ad esempio sviluppare in modo levuliforme all'interno di un tessuto ospite (patogeni animali), mentre alcuni patogeni vegetali (Taphrinales, Ustilaginales) da miceliari si trasformano in levuliformi se allevati su substrati di laboratorio. Fenomeni di dimorfismo sono anche osservabili modificando alcune condizioni colturali, ad esempio l'aerazione.

Parete ifale

L'ifa è la struttura fungina fondamentale ed è provvista di una parete che le conferisce una rigidità notevole, tale da contenere e bilanciare la pressione osmotica del citoplasma. Le strutture riproduttive, e ancor più quelle di conservazione, presentano pareti più consistenti del relativo micelio. I funghi hanno pareti a struttura fibrosa, costituita da fibrille variamente orientate e associate in una matrice amorfa. Tre classi di composti, e precisamente cellulosa, chitina e glucano insolubile, sono presenti quali elementi microfibrillari e sono responsabili della rigidità strutturale della parete. Chitosano, glucano solubile, mannani, proteine e lipidi sono invece presenti sotto forma amorfa o solo parzialmente cristallina.

• Cellulosa: polisaccaride lineare formato da lunghe catene di glucosio unite da legami β-1,4. È presente in quantità notevole nella parete dei funghi acquatici (Saprolegnia, Achlya, Pythium, ecc.).
• Chitina: amminopolisaccaride costituito da molecole di N-acetilglucosoammina collegate in posizione β-1,4. Le lunghe catene di acetilglucosoammina possono raggiungere un peso molecolare simile a quello della cellulosa. La chitina è presente nella parete della maggior parte dei funghi.

Glucano: polisaccaride diverso dalla cellulosa, anche se formato da catene di glucosio, particolarmente importante nella parete dei lieviti. Un composto analogo a questa sostanza e simile al callosio dei vegetali superiori, è stato individuato nella parete di taluni funghi appartenenti alla suddivisione Ascomycotina (Sclerotinia spp.). Mannani: polimeri del mannosio, particolarmente diffusi nei lieviti ove formano complessi con i glucani. Diversi altri polisaccaridi sono presenti quali costituenti della parete fungina: sono stati isolati ad esempio polimeri del galattosio, metilpentosi, xilosio e ramnosio.

Proteine: la presenza di proteine nelle pareti delle ife fungine è sempre da considerarsi con sospetto data la possibile contaminazione delle pareti stesse da costituenti protoplasmatici. Tuttavia, è confermata l'esistenza di complessi proteine-polisaccaridi, specialmente nei lieviti. Altri costituenti: in numerosi funghi sono anche presenti sostanze particolari connesse alla pigmentazione delle ife. Fra queste si possono ricordare: sostanze aromatiche complesse tipo lignina, lipidi, costituenti inorganici, pigmenti (melanine), ecc.

La parete ifale non è sicuramente una struttura inerte, ma è coinvolta in alcuni processi, come è dimostrato dalla presenza sulla sua superficie di numerosi enzimi. In alcuni funghi, le alterazioni morfologiche indotte da determinate sostanze sono accompagnate da una modificazione del rapporto tra i diversi componenti della parete. Nella fase filamentosa Mucor rouxii, fungo dimorfo, contiene nella parete soltanto un quinto del mannano presente nella fase levuliforme.

Membrana, organuli e inclusioni citoplasmatiche

La membrana citoplasmatica dei funghi ha struttura e funzioni analoghe a quella delle cellule vegetali e animali. È una struttura lipoproteica, costituita da un doppio strato di molecole fosfolipidiche orientate con i gruppi polari idrofili verso l'esterno, e le catene lipofile apolari verso l'interno; le proteine sarebbero profondamente immerse o galleggianti sullo strato lipidico, con i gruppi polari idrofili verso l'esterno. Alcune molecole proteiche possono approfondirsi nel doppio strato fosfolipidico o attraversarlo completamente costituendo in tal modo canalicoli, importanti per il passaggio di acqua e ioni.

Talora la membrana forma delle sacche denominate lomasomi, caratteristiche dei funghi, che incrementano la superficie della membrana citoplasmatica. Eventuali altre funzioni di queste strutture non sono ancora note. Il reticolo endoplasmatico è composto da strutture microtubulari o piatte, intervallate da abbondanti granuli di dimensioni analoghe a quelle dei ribosomi responsabili della sintesi proteica.

I mitocondri dei funghi sono strutture sferiche, talora raggruppate in aggregati moniliformi, filiformi o ramificati e nelle ife vive sono dotati di movimenti molto accentuati. Sia il loro aspetto che l'ultrastruttura cambiano in funzione dello stadio vegetativo e delle condizioni di crescita. I mitocondri dei funghi non presentano strutturalmente differenze fondamentali nei confronti di quelli di altri organismi, tuttavia le cisterne sono in numero inferiore, appiattite e più irregolari di quelle dei vegetali superiori.

I vacuoli sono estremamente abbondanti nel citoplasma fungino, tranne che negli apici ifali, ove sono assenti. Hanno tendenzialmente forma sferica, dimensioni variabili e possono contenere pigmenti o inclusioni di vario tipo, sia allo stato cristallino che amorfo. Sono contenuti in una membrana, il tonoplasto, la cui presenza risulta particolarmente evidente quando, durante la traslocazione attraverso i setti, il vacuolo stesso subisce una costrizione. Il sistema vacuolare in alcuni funghi è formato da una serie di canalicoli che si estendono a distanza dal vacuolo stesso.

I nuclei dei funghi sono costituiti da una zona centrale più densa, il nucleolo, circondata da una porzione periferica, delimitata a sua volta dalla membrana nucleare. Questa membrana, costituita da tre strati, presenta numerosi pori che in cellule di lievito possono raggiungere il numero di 200, arrivando a occupare fino al 6,8% della superficie. Durante il ciclo vitale, i nuclei possono cambiare forma e dimensione e traslocare attraverso i setti. Il numero di nuclei per segmento ifale è variabile, andando da 1 o 2 nelle ife mono e dicariotiche dei basidiomiceti, fino a 20-30. Nel primo caso i nuclei occupano circa lo 0,5% del volume citoplasmatico, nel secondo il 20-25%.

I setti

La maggior parte delle ife dei funghi presenta setti a intervalli regolari che interrompono, almeno apparentemente, la continuità citoplasmatica. La conformazione di queste strutture varia nei diversi raggruppamenti sistematici e la loro formazione è un processo relativamente rapido che avviene in tempi variabili da 6 a 10 minuti. Strutture di consolidamento dell'ifa. Con la loro disposizione più o meno regolare danno maggiore stabilità alla parete ifale.

• Setto completo: rappresenta una barriera invalicabile e possono formarlo tutti i funghi, anche quelli asettati e la barriera non risulta più eliminabile. Due porzioni separate da un setto completo sono completamente indipendenti. Il setto di differenzia dopo che l'apice si è allungato. Prima dell'avvento del DNA per l'identificazione di un fungo la distanza apice-setto era considerata un carattere tassonomico.
• Setto semplice: il primo che viene differenziato. È presente un foro al centro del setto che è di piccole dimensioni e quindi facilmente richiudibile. Si tratta solo di un restringimento (non una divisione tra cellule) ed è garantita la continuità citoplasmatica.
• Setto doriporo: i setti presentano un ingrossamento anulare in corrispondenza del poro e doppie membrane a cappa (parentosomi) che rivestono il poro stesso da ciascun lato. I parentosomi sono forati e quindi permettono la continuità citoplasmatica.

Accrescimento apicale

L'accrescimento fungino può avvenire attraverso l'incorporazione di materiale all'apice ifale (senza necessità di aggiunte ai lati) che viene sintetizzato a livello del reticolo endoplasmatico e trasferito all'interno di vescicole verso il plasmalemma apicale col quale si fonde. Il turgore del protoplasma, dovuto anche alla vacuolizzazione, costituisce la forza principale che agisce in questo fenomeno. La velocità di crescita nei diversi miceti varia in funzione di fattori sia intrinseci che ambientali e presenta una gamma che va da 0,1 mm/ora (1,67 µm/minuto) a 6 mm/ora (100 µm/min).

L'apice ifale è estremamente sensibile e variazioni morfogenetiche notevoli (ingrossamenti, ramificazioni) o interruzioni più o meno reversibili della crescita sono ottenibili mediante l'impiego di sostanze tossiche, composti osmoticamente attivi, "shock" luminosi, ecc. In pratica l'apice risulta consistere di una zona (α) non estensibile, seguita da una zona (β) con minima resistenza meccanica e massima intussuscepzione e sintesi di materiale parietale. La zona successiva (γ) è caratterizzata da massima estensibilità e rappresenta la sede di formazione delle ramificazioni laterali. Nella zona (δ) hanno luogo i processi di irrigidimento della parete con la comparsa di fibrille secondarie interne.

Ramificazioni e fusioni ifali

A meno di un impedimento o di un rallentamento della crescita apicale, le ramificazioni laterali hanno origine a una certa distanza dall'apice ifale. È necessaria infatti la presenza di un volume minimo di citoplasma affinché si possa verificare l'inizio della ramificazione. Condizioni che alterano o limitano la crescita apicale inducono lo sviluppo di ramificazioni laterali anomale molto più ravvicinate. L'apice in via di sviluppo esercita cioè una sorta di dominanza apicale, il cui meccanismo di azione non è in realtà ancora ben chiaro.

Le ramificazioni primarie mostrano lo stesso tipo di controllo sulle laterali di ordine maggiore. Il numero e la posizione delle ramificazioni laterali possono variare in funzione di fattori ambientali e genetici. Le anastomosi sono fusioni tra ife con conseguente scambio di nuclei e materiale citoplasmatico, sono molto frequenti nei funghi e possono spiegare in parte certe forme di variabilità.

• Avvengono normalmente tra apici ifali secondari di organismi della stessa specie o tra ife adiacenti della medesima colonia, a seguito di induzione reciproca di abbozzi ifali laterali;
• Solo raramente apici di ife principali intervengono direttamente nel processo.

Il processo inizia con un'azione a distanza (non superiore ai 10-15 µm), la telemorfosi (mediata da sostanze diffusibili nel substrato secondo un gradiente di concentrazione) cui segue una fase durante la quale le ife sviluppano avvicinandosi l'una all'altra (zigotropismo) e quindi si verifica la vera e propria fusione degli apici. Il contatto tra gli apici è seguito dalla fusione delle pareti e dalla dissoluzione della zona apicale. Il fenomeno è estremamente rapido e si completa entro 3-5 minuti. In alcuni funghi comporta un incremento di enzimi particolari, quali la chitinasi.

A seguito della dissoluzione della parete si verifica la migrazione del citoplasma e degli organuli contenutivi da un'ifa all'altra. La direzione della migrazione è determinata dalla differenza di pressione osmotica tra i due citoplasmi a contatto. Una conseguenza delle anastomosi è rappresentata dal fatto che colonie diverse e in competizione nei confronti di uno stesso substrato possono vivere in cooperazione. È noto infatti che le fusioni ifali sono più frequenti in substrati nutrizionalmente poveri e questo rappresenta un aspetto pressoché unico di organizzazione e cooperazione sociale da parte dei funghi.

Modificazioni e aggregazioni ifali

Le ife di un fungo che cresce su un substrato colturale artificiale non presentano che limitate variazioni morfologiche. In habitat a elevata competitività, come il terreno, o ancor più in situazioni particolari, come ad esempio la crescita nell'ospite dei funghi fitopatogeni, si evidenziano maggiori irregolarità e modificazioni delle ife che devono adattarsi all'ambiente, specializzarsi per determinati processi e a volte trasformarsi in strutture di sopravvivenza e conservazione della specie.

• Appressori: È una modificazione dell'apice ifale che si appiattisce o si allarga o, subendo divisioni cellulari diventa una struttura più complicata. A volte può assumere forma complessa e dimensioni notevoli: si parla allora di appressorio multiplo. È indispensabile nel processo di penetrazione diretta di molti funghi fitopatogeni della fillosfera, favorendo l'adesione alla cuticola e permettendo la penetrazione dello stiletto. Infatti, se l'ifa non fosse tenacemente aderente alla superficie la forza esercitata tenderebbe a sollevarla.
• Appressori possono essere formati anche da parassiti caratterizzati da penetrazione stomatica, al fine di consentire l'invasione dei tessuti fogliari, anche quando gli storni sono chiusi. Spesso vengono secrete sostanze mucillaginose per una miglior adesione, tale scopo può essere raggiunto anche mediante un'azione litica delle ife in accrescimento sulla superficie dell'ospite.
• Austori: Sono strutture specializzate per l'assorbimento delle sostanze nutritive, tipiche di funghi fitopatogeni, per lo più parassiti obbligati. La forma è variabile in relazione alla specie, da irregolarmente sferica a ramificata. Originano a partire dallo stiletto di penetrazione dopo che esso ha forato la parete cellulare. L'austorio permette un intimo contatto tra il fungo e la cellula vitale dell'ospite di cui rispetta l'integrità della membrana citoplasmatica, che risulta invaginata, e attraverso la quale avvengono gli scambi, favoriti dalla maggior pressione osmotica del citoplasma fungino.
• Trappole: Sono modificazioni ifali, presenti in funghi predatori, atte alla cattura di protozoi, rotiferi e nematodi. In quest'ultimo caso tale caratteristica è particolarmente importante in quanto rappresenta un esempio di antagonismo biologico nei confronti di organismi che possono causare malattie delle piante o esserne vettori.

In alcuni miceti sostanze adesive vengono secrete da tutto il micelio, in altri solo da particolari porzioni morfologicamente specializzate. Ad esempio Arthrobotrys spp. forma ramificazioni ifali laterali, costituendo una rete di uncini ricoperti da materiale adesivo che intrappolano la preda. Particolarmente validi per la cattura di nematodi sono gli anelli ifali che possono avere azione:

• Passiva: l'anello è formato dalla curvatura di un apice ifale e la preda, che lo attraversa casualmente, finisce per rimanere impigliata a seguito dei movimenti che compie cercando di liberarsi dalla trappola.
• Costruttiva: l’anello è costituito da tre cellule disposte a formare un cerchio, molto robuste e con la superficie interna sensibile allo sfregamento. Lo stimolo provocato dalla penetrazione di un nematode determina il rigonfiamento delle cellule dell'anello, per richiamo di acqua dalle ife vicine, con conseguente intrappolamento della preda.

Il processo è estremamente rapido (circa un decimo di secondo), ed è seguito, in taluni funghi, dalla secrezione di tossine paralizzanti. Spesso queste sostanze uccidono le prede, che successivamente...