Interazioni tra piante microrganismi e ambiente

MICORRIZE DELLE ORCHIDEE

Forte interesse ecologico, molto diffuse, presenti negli ambienti più disparati.

Comprendono più di 24.000 specie, sono molto specializzate, sia epifitiche che

non. Le micorrize arbuscolari sono di interesse

agronomico, quelle ECM di interesse ecologico e

quelle delle orchidee invece hanno un interesse

ecologico, funzionale, fisiologico…

Le orchidee hanno semi piccolissimi, senza riserva,

hanno bisogno di apporti dall’esterno →

MICOETEROTROFIA.

Fam. Orchidaceae >24.000 species; Epiphytic and

land plants

Micobionti: Isolation from mycorhizal roots

Dominant endophyte:

Genere Rhizoctonia

Sono Basidiomiceti, di cui alcune specie

sono patogeni. 179

Rizoctonia è termine generale,

comprende delle famiglie molto vicine

tra loro (es. Sebacinales), alcuni di questi

sono simbionti, altri patogeni.

(anamorphic phase)

Teleomorphs are located in quite distant taxonomic

groups (polyphyletic groups).

Teleomorphs:

 Ceratobasidium

 Thanatephorus

 Tulasnella

 Sebacina

Questi funghi hanno una notevole capacità di

degradare la parete cellulare della cellula ospite.

Capacità di degradare la parete cellulare:

AM → nessuno

ECM → qualcuno

Ericales → molti

Orchidee → moltissimi

Dalle osservazioni morfologiche si sapeva già che i

funghi delle orchidee avessero questa capacità. La

sequenza del genoma in coltura pura non ha

rilevato molto di nuovo.

Some of them are pathogenic for plants:

Anamorfo = forma conidiofora. Riscontrabile in alcune specie inferiori, la riproduzione dell’anamorfo avviene tramite

le conidiospore (spore asessuate) che genereranno una forma teleomorfa. Tutto il ciclo anamorfo + teleomorfo è

detto olomorfo.

Teleomorfo = forma ascogena. Riscontrabile in alcune specie inferiori degli Ascomiceti, rappresenta una fase dello

sviluppo in cui la specie produce ascospore (spore sessuate). 180

Life cycle of Orchids

 Seeds with very limited nutrient reserves (dust seeds)

 Limited embyro development For its development,

the embryo requires

energy coming from the

fungal symbiosis

MICO-HETEROTROPHY

(Leake, 1994)

I semi possono essere enormi, con grande quantità di riserva, o con l’embrione già sviluppato (es. mais), oppure un

seme piccolissimo e senza riserva, come nelle orchidee.

Il protocormo

Quando il seme germina comincia la formazione del protocormo,

che è una massa cellulare quasi indistinta.

Il protocormo rappresenta una fase eterotrofica del ciclo vitale

delle orchidee.

In tutte le altre interazioni l’associazione avviene nella fase post-

embrionale, nelle orchidee avviene nella fase precedente. 181

Micoeterotrofia: il protocormo non è in grado di fare fotosintesi,

è nutrito dal fungo.

Il protocormo è una massa di cellule in cui c’è una polarità,

successivamente si sviluppa il polo vegetativo e quelle che

saranno le radici.

Sostanze di riserva: Fondamentali per la crescita degli

Amido → presente negli ectoplasti embrioni, ma nelle orchidee

Proteine → nei corpi proteici mancano

Grassi → negli oleosomi

Sono i funghi che nutrono il protocormo: gran parte delle cellule del parenchima

corticale sono colonizzate dai funghi, in stato poliploide → spinta energetica per

il differenziamento della pianta.

Il fungo è sempre circondato dalla membrana della cellula ospite, ma senza

accumulo di cellulosa: infatti questi funghi sono in grado di degradarla. Parenchyme with colonized cells

Il fungo sviluppa dei gomitoli 182

Fluorescence Microscope

Esperimento Hudley

1. Se si prende un seme e lo si mette su un substrato molto ricco di zucchero → il protocormo si sviluppa

abbastanza bene;

2. Se lo si mette su un substrato con cellulosa come sola fonte di zucchero → non si ha la formazione del

protocormo;

3. Se infine lo si mette su un substrato con cellulosa e il fungo Tulasnella calospora → il fungo degrada la

cellulosa liberando le molecole di zucchero per sé e per colonizzare il seme, che si sviluppa in protocormo.

In vitro seed

germination

and protocorm

development

occur under

symbiotic or

apo-symbiotic

condition,

depending on

the cultural

medium.

In nature the

availability of

simple sugar is

limited

symbiosis is

favoured.

In natura il processo di micorrizzazione è molto lento (mesi e mesi).

Ma questa interazione come avviene?

Ipotesi → il fungo può degradare i composti organici nel suolo e trasferire il C organicato alla pianta.

Esperimento (’67) 14

Piastra con substrato di agar e cellulosa marcata con C → si vede come il C marcato viene a trovarsi nel

protocormo, suggerendo come il fungo trasporti il C alla pianta.

Risultati: nel grafico → glucosio marcato in due orchidee diverse, una di brughiera e l’altra un’actinorriza 183

Il sistema sperimentale:

Questi esperimenti hanno dimostrato in modo molto

chiaro che il fungo trasferisce C alla pianta sia che lo si

fornisca come polisaccaride complesso, sia come

zucchero semplice.

Qual è il meccanismo di trasferimento?

I funghi stoccano gli zuccheri sotto forma di glicogeno o

trealosio. Quest’ultimo viene convertito in saccarosio,

che è lo zucchero base delle piante.

The fungal Trehalose is quickly transformed into sucrose 184

Ifa collassata Fungal cell wall

Plant cell wall

Altra ipotesi: TOLIPOFAGIA

che il passaggio degli zuccheri dal fungo alla pianta non sia un processo di trasferimento attivo: ad un certo punto le

ife collassano e i loro componenti vengono usati dalla pianta come nutrienti.

Questo in realtà si vede anche nelle associazioni arbuscolari (gli arbuscoli permangono qualche giorno, poi

collassano). Quando l’ifa collassa diventa compatta, non è più utilizzata dal fungo; probabilmente la pianta è in grado

di mangiare questo materiale.

Per le micorrize AM questa ipotesi è accantonata.

Tolipofagia = la pianta mangia il fungo, non si tratta di un trasferimento attivo, ma è il fungo che vive dentro la

pianta che, quando muore, viene usato dalla pianta come fonte di energia.

Nella prima ipotesi: entrambi i partner devono essere vivi

Nella seconda ipotesi: il fungo deve essere morto.

Esperimento sul trascrittoma

Mycoheterotrophic protocorms Free living mycelium

Extraction of RNA

RNA tagging

pyrosequencing

Successivamente:

1. Selection of candidate genes (es. plant and fungal transporters

for nutrients etc)

2. Laser microdissection

3. Validation of gene expression

Microdissezione laser:

È in grado di selezionare e dissezionare le single cellule e parti delle

stesse. 185

Ma la risposta arriva da Yukari Kuga:

Esperimento con isotopi stabili

Stable isotope cellular imaging reveals that both live and degenerating fungal pelotons transfer carbon and nitrogen

to orchid protocorms.

Ha usato isotopi stabili associati a imaging di microscopia elettronica e ha dimostrato che sono valide entrambe le

ipotesi: sia c’è un trasferimento attivo dal fungo alla pianta, sia quando muore l’ifa viene mangiata. Queste due

teorie non sono in contrasto.

ISOTOPI STABILI

Gli isotopi stabili sono isotopi chimici che possono essere o meno radioattivi, ma se lo sono, hanno emivite troppo

lunghe per essere misurate. Solo 90 nuclidi dei primi 40 elementi sono energeticamente stabili per qualsiasi tipo di

decadimento salvo, in teoria, il decadimento protonico (vedi lista di nuclidi). Altri 165 aggiuntivi sono teoricamente

instabili per certi tipi conosciuti di decadimento, ma non sono mai state osservate prove di decadimento, per un

totale di 255 nuclidi per i quali non vi sono prove di radioattività. In base a questa definizione, vi sono quindi 255

nuclidi stabili conosciuti degli 80 elementi che hanno uno o più isotopi stabili. Degli 80 elementi con uno o più isotopi

stabili, soltanto ventisei hanno un unico isotopo stabile, e sono così definiti monoisotopici, e il resto hanno più di un

isotopo stabile. Un solo elemento (stagno) ha dieci isotopi stabili, il più grande numero conosciuto per un elemento.

Isotopi differenti dello stesso elemento (sia stabile che instabile) hanno quasi le stessi caratteristiche chimiche e

perciò si comportano quasi identicamente in biologia (un'eccezione notevole sono gli isotopi dell'idrogeno — vedi

Acqua pesante). Le differenze di massa, a causa di una differenza nel numero di neutroni, daranno come risultato la

parziale separazione degli isotopi leggeri da quelli pesanti durante le reazioni chimiche e durante i processi fisici

come la diffusione e l'evaporazione. Questo processo si chiama frazionamento isotopico. Per esempio, la differenza

di massa tra i due isotopi stabili dell'idrogeno, 1H (1 protone, nessun neutrone, noto anche come prozio) e 2H (1

protone, 1 neutrone, noto anche come deuterio) è quasi del 100%. Pertanto, si verificherà un frazionamento

significativo.

La maggior parte dei nuclidi presenti naturalmente sono stabili (circa 255; vedi lista alla fine di questo articolo); e

circa altri 33 (per un totale di 288) sono elementi radioattivi noti con emivite sufficientemente lunghe (anch'esse

note) da essere presenti da tempi "primordiali". Se l'emivita di un nuclide è comparabile alla, o più grande della, età

della Terra (4,5 miliardi di anni), una quantità significativa sarà sopravvissuta fin dalla formazione del sistema solare,

e si dice allora che è primordiale. Esso allora contribuirà in quel modo alla composizione isotopica naturale di un

elemento chimico. Si scoprono facilmente radioisotopi presenti primordialmente con emivite brevi fino a 700 milioni

di anni (ad es., 235U), sebbene si siano scoperti alcuni isotopi primordiali con emivite brevi fino a 80 milioni di anni

(ad es. 244Pu). Tuttavia, questo è il limite attuale della scoperta, in quanto il nuclide con l'emivita più breve (il 186

niobio-92 con emivita di 34,7 milioni di anni) non è ancora stato scoperto in natura.

Molti radioisotopi presenti naturalmente (altri 51 o giù di lì, per un totale di circa 339) esibiscono emivite ancora più

brevi di 80 milioni di anni, ma sono creati recentemente, come prodotti figli di processi di decadimento di nuclidi

primordiali (ad esempio, il radio dall'uranio) o da reazioni energetiche in corso, come i nuclidi cosmogenici prodotti

dall'attuale bombardamento della Terra da parte dei raggi cosmici (ad esempio, il carbonio-14 creato dall'azoto).

Molti isotopi che sono classificati come stabili (cioè per essi non è stata osservata alcuna radioattività) si prevede

abbiano emivite estremamente lunghe (talvolt