Fitopatologia vegetale

CAPITOLO 4: LA PARETE CELLULARE

• Cere epicuticolari (hanno diverse forme e sono formate da

catene alifatiche idrofobiche)

• Cutina+cere

• Cutina+carboidrati

• Pectine

• Parete cellulare

• Plasmalemma

• Citoplasma

Composizione chimica della parete cellulare

Sostanza fondamentale Cellulosa

Matrice Pectine, emicellulose, proteine

Sostanze incrostanti Lignina, fenoli, minerali

apposizioni Cere, cutina (principale componente:

poliestere insolubile di idrossiacidi

grassi a 16-18C), callosio, suberina

Cellulosa: Si tratta di un polisaccaride di glucosi legati β-1,4. Si

assemblano in microfibrille la cui polarità è fondamentale nel

determinare le proprietà della cellula in questione. Queste infatti sono

impacchettate tra loro prevalentemente in maniera parallela così da

associarsi in reticoli cristallini, tenuti da legami a idrogeno e di Van Der

Waals, che la rendono molto resistente e insolubile in acqua. Date tali

caratteristiche studiarne la disposizione risulta molto complesso, per

questo sono presenti due principali teorie: (1) presenza di una regione

altamente organizzata circondata da una meno, (2) presenza di più

domini cristallini legati da regioni amorfe.

Sono polisaccaridi lunghi e lineari che possono presentare

Emicellulose:

delle ramificazioni laterali. I più presenti sono gli xiloglucani. Essi

legano le fibrille di cellulosa formando dei lacci che le tengono insieme

e contemporaneamente si intercalano tra esse impedendone un

eccessivo impacchettamento, che impedirebbe un’eventuale

degradazione. Infatti tramite una β-xilosidasi è possibile rimuovere le

catene laterali di xilosio causando una maggiore robustezza della

parete. La struttura lineare degli xiloglucani è la stessa della cellulosa,

essi però variano in quanto presentano delle ramificazioni laterali di

xilosi, a volte associate a fucosi e galattosi. Un’altra emicellulosa

importante è il glucuronoarabinoxilano: questo infatti può essere

legato da molecole di acido ferulico, un acido idrossicinnamico,

tramite legami estere sull’arabinosio o con legami covalenti tra due

acidi ferulici che ne aumentano l’impacchettamento.

Esse,

Pectine: come le cellulose, sono polisaccaridi, al contrario però

non hanno una struttura ancora perfettamente nota. Sono infatti

molecole talmente grandi la cui struttura non è stata ancora

totalmente chiarita. Si è visto però come conservino delle

caratteristiche comuni: (1) sequenza di omogalatturonano

caratterizzato da β (1-4)-D-acido galatturonico, (2) ramnogalatturonano

1 composto da residui alternati di ramnosio e acido galatturonico, (3)

ramnogalatturonano 2 che risulta molto ramificato e variegato. Queste

molecole, tramite i gruppi carbossilici del galatturonano, legano atomi

di calcio carichi che fungono da ponte tra più molecole.

Lignina: Si tratta di un polimero fenolico costituito da varie subunità

dette monolignoli. Essa si trova quasi esclusivamente nella parete

secondaria di cellule di tessuti di sostegno e vasi xilematici. È

caratterizzata da una struttura molto estesa che conferisce rigidità e

idrofobicità alle pareti in cui è deposta.

Funzioni parete cellulare:

• La funzione più intuitiva è quella di interfaccia con l’ambiente

esterno. Dunque la parete funge da regolatore e controllore di ciò

che entra e ciò che esce, in concomitanza della membrana

cellulare.

• È fondamentale nel sostegno delle piante: queste infatti non

hanno uno scheletro e la loro capacità di crescere a varie altezze

dipende dalla pressione positiva esercitata dal protoplasto,

componente interna della cellula, sulla parete.

• Controlla l’accrescimento cellulare: da come le componenti

vengono deposte, inteso come direzionalità delle molecole, la

cellula può accrescersi solo in limitate direzioni, come vedremo.

• Rappresenta un’importante prima barriera contro l’attacco di

eventuali patogeni.

• Hanno dimensioni differenti in base all’organo considerato: nei

fasci vascolari, ad esempio, è molto più spessa che in qualsiasi

altro organo.

Degradazione cellulosa

La cellulasi distinte in tre gruppi ognuno con isoenzimi:

• Endo 1-4 beta glucanasi: scinde i legami 1-4 beta a caso nella

molecola

• Eso 1-4 beta glucanasi: separa una molecola di cellobiosio o

glucosio da una estremità

• 1-4 beta glucosidasi: idrolizza il cellibiosio a glucosio

Biosintesi cellulosa: Questa viene sintetizzata a partire da grandi

rosette,

complessi proteici inclusi nella membrana plasmatica detti per

via della loro struttura circolare che ricorda una rosa. Ognuna di queste

è caratterizzata da sei subunità a loro volta costituite da sei molecole

ciascuna di cellulosa sintasi. Essa si trova diffusa in tutta la

membrana ed ha il suo sito catalitico sul versante citoplasmatico. Si

crede, ma non se ne ha la certezza, che glucosidi di steroli, steroli

legati a uno o più glucosi, diano inizio alla polimerizzazione: una

molecola di saccarosio viene scissa in glucosio e fruttosio

saccarosio sintasi,

dalla associata alla cellulosa sintasi, il glucosio viene

attivato in UDP-glucosio e viene donato, tramite idrolisi, al polimero in

accrescimento. L’enzima possiede due siti catalitici consecutivi che

permettono l’assemblaggio di due molecole di glucosio per volta. Si è

scoperto che a dirigere la disposizione delle fibrille sono i microtubuli:

inibendo la loro polimerizzazione le fibre di cellulosa vengono disposte

in maniera casuale e disordinata.

Patogenicità dei microrganismi

Molti batteri e funghi patogeni producono anche enzimi extracellulari

implicati nelle varie fasi del processo di patogenesi.

Enzimi fungini degradanti la parete cellulare dell’ospite:

enzimi target

Enzimi pectici pectina

Idrolasi (endo/esopoligalatturonasi,

ramnogalatturonasi)

Liasi (endo/eso pectato, endopectina,

esopectina liasi)

Esterasi (pectinmetiliesterasi, )

ramnogalatturonano, acetilesterasi

Cellulasi cellulosa

depolimerasi Matrice (xiloglucano)

proteasi Glicoproteine (estensine)

Gli enzimi degradanti la parete cellulare più studiati sono quelli

prodotti da batteri che causano i marciumi molli e da funghi che

causano estese necrosi dei tessuti di riserva.

Alla fine dell’800 ANTON DE BARY dimostrò che gli estratti dei tessuti

marci potevano macerare tessuti sani. All’inizio del 900 si è potuto

verificare che la macerazione è dovuta ad enzimi pectolitici prodotti

dai batteri

L’abilità a produrre enzimi pectolitici è tipica di diversi funghi e batteri

(Botrytis, Sclerotinia, Erwinia).

nectrofici

La sequenza degli enzimi è generalmente prodotta nella sequenza:

• Enzimi pectici

• Emicellulasi

• Cellulasi

L’attività dei vari enzimi dipende dalla composizione chimica della

parete: ad esempio nelle monocotiledoni ricche in emicellulosa i

patogeni tipo rhizoctonia cerealis e fusarium culmorum producono

quantità significative di xylanasi.

Nel caso dei marciumi molli la morte delle cellule è causata dagli stessi

enzimi che lisano la lamella mediana oppure da altri fattori?

La risposta non è facile perché questi patogeni producono tutta una

serie di enzimi che modificano la parete, ciascuno con un proprio modo

di azione:

• Pectin-metil esterasi rimuovono il gruppo metile della pectina

per dare acido pectico l’acido pectico è più suscettibile alla

pectato-liasi e alla poligatturonasi che frammentano le catene

gli enzimi pectolitici possono agire in combinazione con le

cellulasi, emicellulasi e ligninasi, complicando il quadro.

La produzione di enzimi litici non è necessariamente correlata alla

patogenicità.

• Alcuni aspergilli producono enzimi pectici in quantità anche

maggiore ad Erwinia ma in condizioni normali non sono patogeni

• Cloni di E. coli che esprimono il gene della pectato liasi di Erwinia

non sono in grado di macerare i tessuti di patata

Quindi la linea di divisione tra saprofitismo e parassitismo appare

sempre meno chiara e in molti casi la differenza sostanziale tra i due

comportamenti potrebbe essere la regolazione di determinati geni,

piuttosto che la loro presenza o assenza.

Anche i biotrofi producono gli stessi enzimi, ma in minore quantità e su

siti ben localizzati in modo da non danneggiare indiscriminatamente

l’ospite. Gli emobiotrofi, come colletotrichum producono modulandone

la quantità a seconda dello stadio di crescita.

I microrganismi in grado di degradare la lignina sono rari:

il modo di azione delle ligninasi è peculiare in quanto coinvolge la

produzione ossidativa di radicali liberi altamente reattivi che rompono

diversi legami nella molecola di lignina mediante un processo che si

chiama “combustione enzimatica”.

La mancanza di attività ligninasica in molti batteri e funghi spiega

perché le pareti lignificate sono delle barriere altamente efficaci nel

prevenire la penetrazione dei microrganismi.

Caratteristiche della lignina

I precursori (alcol sinapilico, coniferilico, cumarilico) prodotti nel Golgi o

nel reticolo endoplasmatico sono trasportati alle pareti via vescicole e

qui polimerizzati a lignina con perossidasi legate alle CW.

“La lignina protegge i polisaccaridi strutturali”

Molecola organica naturale più recalcitrante e molto abbondante (1/4

della produzione primaria terrestre, seconda dopo la cellulosa)

Degradazione della lignina fattore limitante della conversione di

biomasse vegetali in prodotti commerciali.

Degradazione della lignina

• Consentono l’accesso a polisaccaridi strutturali protetti (lignina

non utilizzabile come sola fonte di C)

• sono favorite da scarsità di N nel suolo prodotte

preferenzialmente da Basidiomiceti agenti di carie bianca

• Non tutti gli agenti di carie bianca hanno questi enzimi: gli agenti

di carie bruna modificano la lignina ma non la decompongono

• Ascomiceti e Mitomiceti (presenti con alta umidità) preferiscono

la cellulosa ma attaccano anche la lignina

Diverse ligninasi in base al modo d’azione

Lignina perossidasi: destabilizza anelli aromatici nella molecola

Manganese perossidasi: genera chelati di Mn, diffusibili all’interno

dello scheletro della molecola, che ossidano gruppi fenolici

Laccasi: ossidano gruppi fenolici esterni

Laccasi responsabili della frammentazione iniziale del polimero di

lignina a radicali più piccoli non possono ossidare completamente la

lignina, in quanto ricca anche di strutture non fenoliche.

Phanerochaete chrysosporium,

Il fun