il regno dei funghi: appunti di micologia

Principali caratteristiche dei funghi

I funghi che fanno parte della nostra alimentazione sono quelli che in inglese sono noti come mushroom, di cui osserviamo sul terreno e mangiamo il corpo fruttifero, una struttura a cappello.

I funghi di interesse per la salubrità e la sicurezza delle produzioni vegetali sono i microfunghi, funghi che per la maggior parte della loro vita sono nascosti all’occhio umano poiché si trovano all’interno della matrice che permeano.

I funghi appartengono al loro Regno speciale, Regno dei Funghi, poiché essi differiscono significativamente sia dalle piante che dagli animali. I funghi possono esistere come cellule singole o catene di cellule, a formare strutture lunghe filamentose (ife).

Il corpo vivente del fungo (tallo) è detto micelio ed è costituito da una fitta rete ramificata di filamenti; ogni filamento prende il nome di ifa, che costituisce l’unità elementare dei funghi filamentosi e si allunga all’interno della matrice permeata a caccia di sostanze nutritive.

Ogni ifa è una catena di cellule, che man mano si accresce all’interno della matrice permeata a caccia di sostanze nutritive. Infatti, il micelio fungino è solitamente nascosto in una matrice, fonte di alimento (es. foglia, legno, cariosside, fetta di pane, etc.) e ci si accorge della loro presenza solo quando si differenziano le loro strutture riproduttive (spore, corpo fruttifero, etc.). A volte non è possibile.

Esistono anche funghi unicellulari, come i lieviti, la cui unità strutturale è la cellula.

Per le loro caratteristiche specifiche i funghi costituiscono un regno a parte all’interno dei diversi taxa degli esseri viventi e sono l’ultimo raggruppamento di microrganismi per i quali è valida la definizione di specie espressa come un gruppo di individui che sono fecondi tra di loro e danno origine ad una progenie fertile.

Questa definizione inizia ad essere in parte valida in quanto i funghi sono microrganismi in cui coesistono elementi e meccanismi di moltiplicazione insieme ad elementi e meccanismi di riproduzione.

È importante distinguere il concetto di moltiplicazione da quello di riproduzione.

Il meccanismo di moltiplicazione riporta direttamente alla fissione binaria dei batteri, gemmazione. È il meccanismo di riproduzione asessuata o agamica, in cui non c’è unione di due cellule di origine sessuale.

Il meccanismo di riproduzione è un meccanismo sessuato o gamico e consiste nell’unione di due gameti, cellule sessuali.

Caratteristiche dei funghi

• L’esistenza di elementi di moltiplicazione insieme a meccanismi sessuali poteva far rientrare questi organismi nel regno dei vegetali, in quanto soltanto nelle piante c’è la capacità manifesta di moltiplicarsi agamicamente o riprodursi sessualmente. Ma tra queste cellule c’è una differenza essenziale: la mancata produzione di clorofilla nei funghi.
• Sono organismi eucarioti, non mobili e mancanti di clorofilla. Quindi questi sono considerati eucarioti stretti e mostrano alcune caratteristiche specifiche:
• Presentano nucleo, mitocondri e ribosomi 80S, tipici degli organismi eucarioti.
• Sono di dimensione più grande di quella dei batteri.
• La parete cellulare è complessa, a base di chitina, con prevalenza di componente polisaccaridica.
• La membrana plasmatica contiene ergosterolo piuttosto che colesterolo.
• Esigenze nutrizionali semplici.
• Sono unicellulari o multicellulari a seconda della specie.
• Sono organismi non-fotosintetici, si procurano i nutrienti per assorbimento (producono enzimi digestivi).
• Possono presentare uno stadio aploide (n) e diploide (2n).
• Si riproducono sessualmente e asessualmente.

Esigenze nutrizionali

Le esigenze nutrizionali sono semplici (carbonio e azoto) ed ampi range di tassi di crescita (colonie visibili in pochi giorni o qualche settimana).

Alcune categorie di funghi sono parassiti obbligati, hanno un rapporto privilegiato con l’ospite e per questo sono capaci di vivere e svilupparsi solo sull’ospite e non sui substrati di laboratorio. Questo, infatti, rende più complicata la gestione e la caratterizzazione della coltura, anche se la possibilità di fare indagini metagenomiche può fornire risultati interessanti.

Una delle caratteristiche particolari che ha importanza da un punto di vista della qualità nutrizionale è la sintesi della lisina attraverso la via della tripla A, il pathway dell’acido α-ammino-adipico.

Questa caratteristica li rende differenti dagli altri microrganismi che non sono in grado di sintetizzare la lisina.

Parete cellulare

La parete cellulare fungina conferisce la forma e protegge dalla lisi osmotica. È a base di chitina, glucani diversi, mannani e polisaccaridi complessi (80-90%). Solo una piccola parte è costituita da proteine e lipidi.

La chitina (micosina) è un amino-polisaccaride simile alla cellulosa, in cui un ossidrile è sostituito da un gruppo acetilaminico.

La cellulosa è un polisaccaride formato da molecole di glucosio con legami glicosidici β-1-4, in lunghe catene non ramificate.

I componenti polisaccaridici all’interno dei diversi Phyla, categorie tassonomiche, sono presenti in modo diverso. Seguendo uno sviluppo filogenetico, partendo da Oomycota, prevalentemente legati all’ambiente acquatico, fino a Basidiomycota, i meccanismi di moltiplicazione e di riproduzione sono sempre più complessi, e anche la composizione della parete varia.

Negli Oomycota si osserva la predominanza di glucani, come matrice della parete cellulare, in cui la componente fibrillare è costituita da un doppio strato di cellulosa e β(1,3)-β(1,6)-glucani.

In Chytridiomycota, si osservano polimeri fibrillari di chitina e glucani, dispersi in una matrice di glucani. Dunque, la matrice di glucani è caratteristica dei funghi primitivi, gruppi di funghi strettamente associati all’ambiente acquatico, di cui alcuni di tipo ameboide, senza alcuna parete cellulare definita.

Man mano che ci si sposta da Zygomycota fino a Basidiomycota, funghi veri, la matrice diventa sempre più complessa: si osserva acido poliglucuronico, oppure glucani, mannani, in cui sono intersperse sostanze proteiche (glucomannoproteine) che contengono quasi prevalentemente chitina come componente fibrillare.

In particolare, più aumenta la complessità della matrice all’interno della quale sono intersperse queste sostanze, più aumenta la capacità di produzione di determinanti antigenici. La parete cellulare fungina, infatti, presenta un’enorme quantità di determinanti antigenici, glicoproteine, dovuta alla predominanza della componente polisaccaridica.

Di conseguenza è quasi impossibile individuare a livello di specie un isolato fungino utilizzando tecniche di sierologia, anche tramite l’uso di anticorpi monoclonali.

Oltre a questi componenti maggiori, la parete cellulare può contenere lipidi, proteine, chitosani, fosfatasi, amilasi, proteasi, melanina, ioni inorganici (P, Ca, Mg).

La melanina è un pigmento scuro che viene sfruttata dal fungo per sviluppare strutture dei funghi che sono capaci di perforare un’altra parete cellulare, come la parete delle cellule vegetali.

L’ifa, nel penetrare all’interno di un tessuto vegetale anch’esso caratterizzato dalla presenza di una parete cellulare, mette in atto meccanismi di infezione/patogenesi che vanno oltre la produzione di enzimi litici, che indeboliscono la parete cellulare vegetale, come lo sviluppo di austorie e appressori.

La melanina, infatti, in seguito al deposito di grandi quantità della stessa al di sotto della parete, determina un aumento della pressione puntiforme, necessaria per l’attacco all’ospite e la penetrazione.

Così la melanina costituisce la matrice capace di far sopravvivere per decenni le strutture di resistenza del fungo, gli sclerozi, proteggendoli e rinforzandoli. Gli sclerozi sono ammassi micelici, internamente bianchi ed esternamente scuri e robusti, che possono avere piccole dimensioni da 50 a 150 µm, chiamati micro-sclerozi, oppure possono avere dimensioni maggiori, pari a 6-7 cm.

[Esempio: segale cornuta. Gli sclerozi avvolgono e infettano completamente la spiga e assumono la forma di un corno nero. In quel corno c’è del materiale miceliale che va a finire all’interno delle cariossidi e quando queste vengono macinate, tutte le sostanze che sono presenti in questi sclerozi finiscono nella farina. Questo è pericoloso perché in questi sclerozi ci sono sostanze che possono avere anche conseguenze sul sistema nervoso.]

Inoltre la melanina protegge le cellule dalla radiazione ultravioletta e dagli enzimi litici di altri organismi.

Membrana plasmatica

La presenza della parete cellulare esternamente e della membrana plasmatica all’interno regola il passaggio interno/esterno del materiale alimentare attraverso meccanismi di permeabilità selettiva, integra e protegge le proteine di membrana (chitinsintasi, glucano-sintasi) e, soprattutto, ha un ruolo fondamentale nei processi di trasmissione del segnale.

È strutturalmente simile alla membrana cellulare dei mammiferi e differisce principalmente per la presenza dello sterolo non polare, l’ergosterolo, piuttosto che il colesterolo.

Alcuni agenti antifungini interferiscono con la biosintesi dell’ergosterolo (i.e., amphotericin B).

Generalmente, per cross talk si intende il rapporto tra agente patogeno e ospite. Per esempio, l’ospite può produrre una sostanza che viene riconosciuta direttamente dal fungo e che funge da elicitore del meccanismo di patogenesi, per cui il fungo attiva un sistema di produzione di enzimi litici.

Tra le strategie di questo tipo rientra la produzione da parte dell’ospite dell’ormone etilene, l’ormone dell’invecchiamento, un meccanismo di risposta all’interno dell’ospite in modo da innescare che, in modo irreversibile, andrà incontro a senescenza e renderà più facile la colonizzazione e la penetrazione del fungo.

Questo meccanismo è, però, associato alla resistenza ad alcuni prodotti fungicidi. Ci sono alcuni agenti anti-fungini che in modo specifico interferiscono con la biosintesi dell’ergosterolo. Sono i cosiddetti IBE (inibitori della biosintesi dell’ergosterolo), fungicidi, prodotti che appartengono al gruppo chimico degli -azoli, per esempio triazoli, imidazoli, dotati di uno specifico meccanismo di azione.

Gli IBE agiscono su un enzima specifico, l'α-sterolo-demetililasi, enzima che catalizza la fase finale del pathway di biosintesi, in cui il lanosterolo viene convertito in ergosterolo; di conseguenza, inibendo l’attività di questo enzima, l’ergosterolo non è più sintetizzato.

Questo ha un effetto fungicida in quanto nuove cellule non si possono formare e fungistatico nei confronti delle cellule che sono state già formate perché non potendo sintetizzare ulteriormente la membrana, non è più possibile la divisione cellulare.

Uno dei problemi fondamentali dell’impiego di fungicidi è che utilizzando dosi sub-letali, frequentemente i funghi possono sopravvivere e sviluppare un meccanismo di resistenza. Di solito, quanto più puntiforme è il meccanismo di azione del fungicida, tanto più facilmente il fungo potrà dare un meccanismo alternativo di resistenza (succede con tutti gli azoli).

Si instaura un forte circolo vizioso tra attività del prodotto che perde efficacia nel tempo a causa dello sviluppo di meccanismi di resistenza e l’aumento della concentrazione per ripristinare la dose letale: più l’efficacia diminuisce, più viene aumentata la dose, più aumentano i meccanismi di sviluppo della resistenza.

Quando, però, ci sono diversi meccanismi che vengono inibiti, è difficile che il fungo riesca a sviluppare resistenza per tutti questi meccanismi, ed è per questo che lo ione rame è un metodo anti-fungino vantaggioso. I funghi non hanno la resistenza nei confronti del rame, a differenza dei batteri.

Quindi più puntiforme è il meccanismo, più è facile che si sviluppi una resistenza.

L’ergosterolo è un elemento diagnostico veloce ed affidabile per accertare contaminazione di determinate specie fungine in alcune matrici alimentari, per es. nelle granaglie (insieme dei principali cereali coltivati dall’uomo), in quanto è un elemento specifico dei funghi.

Per evitare di perdere tempo, al momento dell’arrivo di una partita di grano al porto, si ricerca subito l’eventuale presenza dell’ergosterolo e se è presente in grande quantità, allora è dimostrata la presenza di ife fungine; a quel punto ci si ferma per vedere che tipo di funghi ci sono, se questi producono tossine, ecc.

Caratteristiche strutturali

In generale, i funghi possono essere unicellulari o multicellulari a seconda della specie. Quelli multicellulari presentano strutture tubulari, le ife, che possono essere: settate (pareti cellulari trasversali) o non settate (cenocitiche), sempre a seconda della specie.

La crescita avviene per estensione apicale:

• Le ife vegetative crescono su o nel substrato nutritivo (assorbimento).
• Le ife aeree solitamente portano strutture per la produzione delle spore (propaguli asessuali).

Tallo

Il corpo del fungo è chiamato tallo ed è costituito dalle ife che costituiscono il micelio.

Ci sono due diversi tipi di tallo:

• Il tallo olocarpico è costituito da unica cellula fungina che a maturità si trasforma in organo riproduttivo (il caso più banale è il lievito). Un tallo olocarpico si può trasformare tanto in elemento di moltiplicazione (meccanismo asessuato), quanto in elemento di riproduzione (meccanismo sessuato).
• Il tallo eucarpico (prefisso eu = ben sviluppato) è costituito da più cellule; in questo caso le strutture riproduttive si formano su organi apposti del tallo, caratterizzato quindi da zone a diversa specializzazione.

Mentre il tallo olocarpico o si trasforma in elemento di moltiplicazione o in elemento di riproduzione, nel tallo eucarpico possono coesistere zone in cui si differenziano gli elementi riproduttivi e zone in cui si differenziano gli elementi moltiplicativi.

Micelio

Il micelio è il tallo dei funghi filamentosi. La parte fondamentale del micelio è l’ifa fungina.

Esistono due principali tipi di micelio a seconda della presenza o meno di setti divisori:

• Funghi a organizzazione cenocitica, in cui le cellule dell’ifa perdono la loro individualità, ifa non settata (cenocitica dal greco: koinos = comune e kitos = vaso). Si osserva un filamento in cui il materiale intracellulare dell’ifa è libero di vagare e non c’è una compartimentazione cellulare. La dimensione non è costante e uniforme, hanno aspetto coralloide.
• Funghi ad organizzazione cellulare, in cui le ife mantengono la loro integrità, ifa settata. Queste ife risultano perfettamente ordinate e il loro calibro è uniforme.

L’organizzazione cenocitica è un elemento primitivo caratteristico sia di funghi appartenenti al regno dei Chromista, phylum Oomycota, sia dei funghi Zigomiceti.

L’organizzazione settata è invece tipica dei funghi veri, più evoluti. Due cellule dell’ifa adiacenti sono in comunicazione tra loro attraverso due meccanismi:

• Corpo di Woronin, un corpo scuro e puntiforme, costituito da un aggregato di calcio, che è posizionato come un tappo sul foro che mette in collegamento le due cellule. Questa concrezione, aprendosi e chiudendosi, regola il passaggio e lo scambio di materiale da una cellula all’altra. Meccanismo caratteristico di Ascomiceti.
• Setto a doliporo o parentisomi, un sistema a membrana caratteristico, una specie di valvola a cappuccio, che funziona aprendosi e chiudendosi. Meccanismo caratteristico dei funghi più evoluti, i Basidiomiceti.

Per evoluzione e filogenesi, il cenocitismo è un’organizzazione caratteristica di un’ifa giovane, appena prodotta. Ma appena diventa adulta, questa tende naturalmente a settarsi non come caratteristica costitutiva ma per sopravvivenza, in quanto attraverso questo meccanismo di frammentazione, permette un migliore mantenimento degli elementi prodotti anche in condizioni di carenza di elementi nutritivi.

Infatti, tanto più ricco di zuccheri è il substrato, tanto più facilmente si osserva un’ifa cenocitica, viceversa se il substrato è povero e vecchio, è possibile osservare i setti. A questo punto, infatti, si cade molto spesso nell’errore di valutare questa frammentazione di sopravvivenza con la naturale costituzione di un’ifa settata.

Morfologia e riproduzione dei funghi

I talli eucarpici presentano diverse zone di specializzazione che possono svilupparsi in elementi di moltiplicazione e di riproduzione e a seconda del tipo di specializzazione si adopera una nomenclatura abbastanza specifica.

Sull’ifa settata, si trovano delle ramificazioni dette conidiofori che portano i conidi o conidiospore. I conidi sono gli elementi di moltiplicazione, derivanti da un processo asessuato, prodotti per gemmazione all’apice dell’ifa conidiofora, e possono essere unicellulari, pluricellulari, portati liberi in forma di catenelle o attaccati ad ife più o meno ramificate.

Le strutture che portano i conidi sono le fialidi (= fiaschetta) che possono essere corte o lunghe, possono presentare canaletti o possono essere saldate su altre piccole strutture chiamate metule.

I conidi sono gli elementi di moltiplicazione, processo asessuale, mentre le spore derivano da un processo sessuale, da una combinazione.

Sull’ifa cenocitica, tipica dei funghi primitivi, si trovano