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Micologia: funghi, organismi simili ai funghi, lieviti Appunti scolastici Premium

Appunti di Micologia su: Struttura e caratteristiche funghi, organismi simili ai funghi (es. oomycota), lieviti; spore, nutrizione funghi, accrescimento, differenziamento/sviluppo, organi di trasporto dei nutrienti, Università degli Studi Piemonte Orientale Amedeo Avogadro - Unipmn. Scarica il file in formato PDF!

Esame di Micologia docente Prof. G. Lingua

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Micorrize arbuscolari:

Si ritiene che la simbiosi micorrizica arbuscolare abbia svolto un ruolo fondamentale

nell’adattamento delle piante alle terre emerse.

La simbiosi è formata soprattutto nelle piante terrestri, angiosperme, gimnosperme, pteridofite e

briofite (che non hanno vere radici); i funghi sono simbionti obbligati: non possono sopravvivere

autonomamente e non possono nemmeno essere cresciuti in coltura pura.

Le ife fungine colonizzano il parenchima radicale con ife intercellulari; queste possono attraversare

la parete e formare gli arbuscoli, strutture effimere a ramificazione dicotomica, alcune specie

formano vescicole intraradicali che contengono sostanze di riserva.

Non è mai stata osservata riproduzione sessuale, i Glomeromycota si riproducono normalmente

mediante la produzione di spore.

Tra gli arbuscoli e la membrana delle cellule ospiti avverrebbero gli scambi di nutrienti tra i due

partner della simbiosi. La pianta cede ai funghi prodotti derivati dalla fotosintesi (carbonio

organicato) ricevendone in cambio dei nutrienti minerali (soprattutto fosforo, ma anche azoto,

zinco, e altri metalli).

Nel 2001, i Glomeromycota sono stati riconosciuti come un clade monofiletico e quindi sono stati

scorporati dagli zigomiceti. Il phylum ha una sola classe, Glomeromycetes, divisa in quattro ordini

2) Kickxellomycotina

3) Zoopagomycotina

4) Entomophotoromycotina

Comprende alcune specie che sono parassiti di insetti; alcune attaccano solo un limitato numero di

specie, mentre altre hanno una gamma più ampia di ospiti. Sono stati messi a punto metodi per la

produzione su larga scala, al fine di sfruttare questi organismi come agenti di biocontrollo. Anche

alcune specie di questo sottophylum possono essere causa di patologie umane

5) Mucoromycotina.

Si tratta di saprotrofi che crescono nel suolo, negli escrementi degli animali, nel compost (specie

termofile) o su frutti che hanno superato la maturità. Sono organismi a crescita rapida e per lo più

necessitano di zuccheri semplici (alcuni sono però capaci di degradare la chitina).

Alcune specie, come Rhizopus arrhizus, Absidia corymbifera e Rhizomucor pusillus, possono

causare infezioni opportunistiche anche molto gravi (letali in oltre il 50% dei casi) in seguito a

ustioni, stati di debilitazione generale, malnutrizione, diabete, immunodeficienza o

immunosoppressione, forme tumorali.

Ciclo riproduttivo può essere sessuato ed asessuato

ASCOMYCOTA:

Gli ascomiceti insieme ai basidiomiceti costituiscono il sottoregno dei Dikarya (dicarioti),

caratterizzati dalla contemporanea presenza di due nuclei differenti in almeno alcune fasi del ciclo

cellulare.

La struttura caratteristica di questo phylum è l’asco, una cellula all’interno della quale due nuclei

aplodi differenti si fondono per dare origine a un nucleo diploide. Quest’ultimo andrà incontro a

meiosi per generare delle spore aploidi di origine sessuale (ascospore). In molte specie la meiosi

è seguita da una divisione mitotica, che porta quindi alla formazione di otto ascospore.

Gli aschi possono essere riuniti in corpi fruttiferi di varia forma:

- Peritecio, a forma di fiasco

- Apotecio, a forma di coppa

- Cleistotecio, una struttura chiusa che si apre a maturità.

Un numero rilevante di funghi è stato riconosciuto come appartenente agli ascomiceti solo per

mezzo di analisi molecolari (geni codificanti per RNA ribosomale).

Caratteristiche:

- gruppo monofiletico prossimo ai basidiomiceti con cui condivide diverse caratteristiche

- parete di chitina e glucani

- ife hanno setti a distanza regolare con dei pori che permettono scambio di materiali ed il

passaggio di nuclei ed organelli

- si riproducono per via sessuale

- producono spore asessuali prive di flagelli (conidi)

- possono instaurare simbiosi mutualistiche con licheni o formare ectomicorrize

- molte specie degradano la materia organica e sono importanti nel riciclo dei nutrienti

- alcuni lieviti ascomiceti vivono come saprotrofi sulla superficie di frutti e foglie e competono per la

nicchia ecologica con alcuni patogeni (vengono commercializzati come agenti di biocontrollo)

- alcune specie causano malattie in piante, animali (incluso l’uomo).

Basidiomiceti

Gruppo ampio, gli esempi più noti riguardano i comuni funghi con gambo e cappello, ma esistono

numerose altre forme, inclusi lieviti e patogeni dell’uomo e delle piante.

Caratteristiche:

- parete di chitina e glucani / chitina e mannani nei lieviti

- ife settate con un poro detto Doliporo che non permette il passaggio dei nuclei

- nuclei aploidi, ma le cellule contengono per la maggior parte delle loro vita 2 nuclei (dicarioti)

- basidio: struttura riproduttiva sessuale in cui avviene la meiosi, le spore vengono portate

all’esterno da brevi steli detti Sterigmi

Ecologia e importanza dei basidiomiceti

- Funghi saprofiti sulla superficie delle foglie

- Allergeni

- Patogeni umani e delle piante

- Degradatori di cellulosa, lignina e altri composti organici

- Micorrize

- Coltivazione per fini alimentari

- Simbiosi con le formiche del genere Atta

- Funghi tossici Sporobolomyces roseus, lievito basidiomicete che cresce come saprofita sulla

superficie delle foglie. Le sue spore possono essere causa di allergie per l’uomo

Le formiche del genere Atta, tra cui A. cephalotes che ha il genoma completamente sequenziato,

“coltivano” funghi raccogliendo foglie che sono poi degradate dai funghi. Le formiche si nutrono

delle ife fungine, ricavandone nutrienti importanti. In A. cephalotes mancano gli enzimi per la

sintesi di arginina e quelli delle serina proteasi.

Organismi simili ai funghi

Organismi tradizionalmente studiati dai micologi, ma che non sono veri funghi. Trattiamo

brevemente quattro gruppi principali:

• Oomycota, che appartengono al regno Straminipila.

• I funghi mucillaginosi acrasidi e dictiostelidi (Acrasiomycota e Dictyosteliomycota).

• I funghi mucillaginosi plasmodiali (Myxomycota).

• I plasmodioforidi (Plasmodiophoromycota).

Oomycota

Sono i più importanti per impatto economico, poiché questo phylum comprende numerosi patogeni

delle piante; organismi appartenenti a questo taxon causano la “peronospora della patata”, della

quercia, della vite.

Gli oomiceti hanno l’aspetto funghi, crescita apicale e attaccano le piante secernendo enzimi che

degradano le pareti; si comportano quindi come funghi, con un notevole grado di convergenza

evolutiva.

Sono incapaci di compiere fotosintesi, ma hanno caratteristiche simili a quelle delle piante:

- La parete è composta di glucani, inclusi alcuni polimeri simili alla cellulosa;

- I nuclei sono diploidi;

- Le membrane contengono steroli di tipo vegetale, al contrario dei funghi che contengono

ergosterolo;

- I composti di riserva sono simili a quelli vegetali e non sono presenti gli zuccheri alcool e il

trealosio caratteristici dei funghi;

- Come nelle piante, le membrane di Golgi sono piatte (tubulari nei funghi) e le cisterne

mitocondriali sono tubulari (a forma di disco o di piatto nei funghi).

I due ordini più importanti sono:

- le Saprolegniales: sono organismi acquatici, per lo più saprotrofi, e durante la riproduzione

sessuale formano più oosfere all’interno dell’oogonio, per cui daranno origine a più oospore nello

stesso oogonio. Saprolegnia parasitica può causare morie di pesci.

- le Peronosporales: differenziano un’unica oosfera, quindi una sola oospora. Le specie di questo

ordine includono patogeni delle piante, in alcuni casi si tratta di patogeni obbligati. Alcune specie

sono patogeni “generalisti”, senza preferenze particolari per l’ospite, altre sono invece selettive e

specifiche.

I “funghi mucillaginosi” cellulari (Acrasidi, dictyosteilidi)

Caratteristiche:

- crescono e si dividono come amebe unicellulari fagocitano batteri e altre particelle come cibo.

- Si trovano sottobosco in decomposizione, nei suoli ricchi di sostanza organica e negli escrementi

animali.

- In carenza di nutrienti, molte amebe si aggregano a formare un “corpo fruttifero” sorretto da uno

“stelo”.

In condizioni di carestia alcune amebe cominciano a produrre / rilasciare AMP ciclico, che attira per

chemiotassi le altre amebe; le amebe si associano, formano un piccolo cumulo, in cui le cellule si

differenziano in due tipi diversi, quelle che formeranno lo stelo e quelle che formeranno le spore.

Il cumulo si ribalta e la struttura risultante viene detta Pseudoplasmodio; esso risponde a gradienti

di luce e temperatura ed è capace di migrare, le spore rilasciate dal corpo fruttifero sono capaci di

migrare ed è stata osservata riproduzione sessuale.

I “funghi mucillaginosi” plasmodiali (Myxomycota):

Privi di membrana plasmatica, formati dal Plasmodio (rete multinucleata di protoplasma) percorso

da correnti protoplasmatiche; i Myxomycota sono osservabili su materia organica marcia (ricca di

batteri) perché si nutrono dei batteri e materiale organico particellare per fagocitosi.

Il plasmodio si sviluppa all’interno delle strutture e raggiungere la superficie per rilasciare spore

aploidi; esse possono germinare e generare delle mixoamebe o dei mixoflagellati (con due flagelli

diversi); questi elementi possono unirsi a due a due formando una cellula diploide che rigenera il

plasmodio.

I plasmodioforidi

La loro posizione tassonimica non è chiara perché non hanno relazioni con funghi o altri organismi

simili ai funghi; sono parassiti intracellulari obbligati, non coltivabili su terreni artificiali in coltura

pura.

L’organismo più noto è Plasmodiophora brassicae, che cause una malattia radicale nelle

Brassicaceae: le radici risultano deformate e rigonfiate per la proliferazione delle cellule radicali

indotta dalla produzione di fitormoni e la produzione vegetale viene danneggiata. Le specie del

genere Polymyxa possono crescere come parassiti asintomatici nelle radici di molte specie.

Struttura dei funghi e degli organismi simili ai funghi

Struttura di un’ifa

- Tubo con parete rigida, contenente un protoplasma in movimento.

- Lunghezza indeterminata e diametro di 2-30 mm

- Crescita apicale con ramificazioni.

- Apice affusolato, con zona di estensione

- Presenza di setti in molti phyla e setti dotati di pori

- Parete più sottile all’apice

Un’ifa in crescita mostra polarità nella distribuzione degli organelli cellulari: l’apice presenta un

accumulo di vescicole circondate da membrana, ma non ci sono altri organelli “maggiori”

(nucleo, mitocondri…); le vescicole sono probabilmente di derivazione golgiana e trasportate

all’apice dal sistema citoscheletrico per contribuire all’accrescimento apicale.

Le vescicole contengono l’enzima chitina sintasi (chitina è uno dei principali costituenti della

parete fungina); l’insieme di vescicole è detto AVC (gruppo di vescicole apicali).

Al centro dell’AVC c’è una struttura priva di vescicole il Corpo Apicale, costituito da microfilamenti

actinici e microtubuli; esso non è più visibile quando viene interrotta la crescita apicale a causa di

qualche shock, se la crescita riparte il corpo apicale è nuovamente visibile.

Quando un’ifa modifica la direzione di crescita, si ha prima lo spostamento del corpo apicale verso

la futura direzione di crescita; esso si divide quando l’ifa sta per formare una ramificazione. Il

corpo apicale è un organello che controlla la crescita apicale.

Immagine ottenuta in seguito a “freeze substitution”. Allontanandosi

dalla zona apicale si osservano numerose vescicole ramificate, che

possono estendersi anche oltre i setti (quando presenti).

La distribuzione dei nuclei è variabile nei diversi phyla:

- I funghi asettati e gli organismi simili ai funghi sono cenocitici, cioè contengono molti nuclei in

un citoplasma comune.

- Molti funghi settati (ascomiceti e funghi mitosporici) hanno molti nuclei nella zona retrostante

l’apice e 1/2 nuclei per compartimento (zona fra due setti) nelle zone più vecchie; i nuclei possono

attraversare i setti, quindi un insieme di nuclei condivide e controlla un pool comune di citoplasma.

- Basidiomiceti: 1 nucleo per compartimento nei miceli monocarioti, 2 nella forma di dikaryon; i

nuclie non si spostano perché c’è il Doliporo.

Le ife come porzioni di una colonia

Il micelio si origina da una singola spora dalla formazione di un tubetto germinativo; il micelio si

accresce in lunghezza e ramifica. Il micelio si sviluppa quindi come una colonia con forma

circolare.

Le ramificazioni sono di tipo divergente e si formano finché le risorse nutritive sono sufficienti; nelle

zone più vecchie della colonia, in cui le risorse sono ridotte/esaurite, molti funghi producono delle

sottili ife che crescono una verso l’altra, fondendosi apicalmente. Ciò comporta la degradazione

della parete cellulare. Questi processi sono detti di anastomosi ifale e risultano nella

riorganizzazione del protoplasma che viene così raggruppato e rimobilitato, per formare delle

spore (clamidospore) o altre strutture.

I processi di anastomosi ifale avvengono tra ife della stessa colonia o della stessa specie; ceppi

diversi della stessa specie possono fondersi, ma ciò comporta la morte, in tempi rapidi, delle

porzioni che si sono fuse. La fusione tra ife di specie diverse è un evento rarissimo.

Struttura dei lieviti

Molti funghi vivono come lieviti uninucleati che si dividono per gemmazione; esempio

Saccharomyces cerevisiae (ascomiceti), Sporobolomyces roseus (basidiomiceti). In altri casi, un

fungo può transitare, a seconda delle condizioni ambientali, da una fase di vita in forma ifale ad

una in forma di lievito, e viceversa, così come avviene per le specie del genere Candida.

Saccharomyces cerevisiae (lievito di birra)

Ogni cellula di lievito presenta il tipici organelli cellulari, incluso il nucleo, un ampio vacuolo e alcuni

corpi lipidici. La gemmazione può compiersi su più siti della superficie; la gemma si ingrandisce

progressivamente, quando è sufficientemente grande il nucleo si divide corrispondenza del punto

di gemmazione. La formazione di un anello di chitina causa la separazione tra le due cellule.

Il processo lascia una “cicatrice” sulla parete, sia della cellula madre sia della cellula figlia. Il

numero di gemme che possono essere formate da un lievito multipolare, come Saccharomyces, è

limitato (50-100), mentre un lievito bipolare non ha limitazioni.

La parete dei funghi

La parete dei funghi costituisce una barriera strutturale tra il protoplasto e l’ambiente esterno,

inoltre

- contribuisce a determinare il modo in cui il fungo cresce (lievito/ ifa)

- protegge dalla lisi osmotica, seleziona le molecole su base dimensionale;

- protegge dagli UV e dagli enzimi litici di altri organismi per la presenza di melanina e altri

pigmenti.

- presenta siti di legame per alcuni enzimi prodotti dal fungo, utili per ridurre i polimeri in monomeri

in modo che il fungo possa assorbirli

- la superficie della parete ha componenti importanti per l’interazione con altri organismi (es

simbiosi)

Le pareti sono, come quelle dei vegetali, per lo più organizzate da 2 componenti principali: una

fibrillare ed una di matrice; la parete è dinamica, contiene enzimi che la modificano e interagiscono

con l’esterno. Le modificazioni che la parete subisce possono dipendere dalle condizioni

ambientali, dall’età e dal modo di vita del fungo.

La parete fungina consta di 4 strati concentrici (partendo dal più esterno):

- quarto strato: glucani amorfi

- terzo strato: glicoproteine in matrice proteica

- secondo strato: proteico più o meno evidente

- primo: chitina in fibrille

Oltre a queste componenti strutturali molti funghi possono presentare una “capsula” polisaccaridica

o glicoproteica che avvolge le ife o i lieviti e che può essere eliminata con blandi trattamenti

chimici; essa ha un importante significato biologico nell’interazione con altri organismi.

Ad esempio, il patogeno umano Cryptococcus neoformans ha una capsula polisaccaridica che

impedisce al sistema immunitario di riconoscere le componenti antigeniche del fungo; in questo

modo il fungo riesce a proliferare nei tessuti dell’ospite.

Setti:

A: ifa non settata B: ifa settata con cellule uninucleate C: Ifa settata con cellule

multinucleate

In ascomiceti, basidiomiceti e funghi mitosporici ci sono i Setti (pareti trasversali) ad intervalli

regolari; con minore frequenza sono presenti anche in funghi detti “non settati”. Se un ifa viene

danneggiata, i corpi di Woronin (corpuscoli sferoidali) chiudono i pori dei setti per limitare i danni; i

funghi non settati sono più vulnerabili perché non possono fare questo.

Quindi i setti hanno varie funzioni: limitazione dei danni, supporto strutturale alle ife (specialmente

in carenza idrica), differenziamento (bloccando i pori dei setti, il fungo riesce a trasformare il

citoplasma diviso in compartimento in una serie di cellule o regioni indipendenti che possono avere

un diverso sviluppo).

I setti sono di due tipi:

- Tipo 1 (Ascomiceti, basidiomiceti monocarioti e molti mitosporici): più semplice, può formarsi

rapidamente ed ha un diametro di 0.05/0.5 mm

- Tipo 2 (Basidiomiceti dicarioti): più complesso viene detto Doliporo ed ha un apertura di

dimensioni inferiori; su entrambi i lati del canale ci sono membrane perforate che impediscono il

passaggio degli organelli maggiori.

Il nucleo

I nuclei dei funghi sono di piccole dimensioni, aploidi e possiedono l’involucro nucleare degli

eucarioti, costituito da un doppio strato lipidico e dotato di pori.

I funghi presentano comunque alcune peculiarità a livello nucleare:

- Durante la mitosi, l’involucro nucleare non si disgrega, questo fatto potrebbe essere correlato con

la presenza contemporanea di più nuclei nello stesso protoplasma.

- Nei funghi non si forma un’evidente piastra metafasica.

- I funghi presentano dei corpuscoli al polo del fuso mitotico (centri di organizzazione dei

microtubuli) che organizzano l’assemblaggio dei microtubuli del fuso.

Gli organelli citoplasmatici

La maggior parte sono simili a quelli degli eucarioti; le differenze riguardano:

1) La membrana cellulare (ergosterolo funghi, colesterolo animali, steroli vegetali piante)

Formata da un doppio strato fosfolipidico con proteine di membrana; alcune proteine di membrana

sono enzimatiche, (es. chitina e glucano sintasi, rilasciano i polisaccaridi all’esterno per la formare

parete); inoltre la membrana è implicata nella percezione e trasmissione di segnali dall’ambiente

all’interno (trasduzione dei segnali).

La principale peculiarità riguarda gli steroli di membrana: negli animali c’è il colesterolo, nelle

piante (e negli oomiceti) gli steroli vegetali, nei funghi l’ergosterolo.

2) Il sistema di secrezione dei funghi (golgi, reticolo endoplasmatico, vescicole)

Le proteine destinate alla secrezione al di fuori della cellula o in compartimenti extra-citoplasmatici

(vacuoli, nucleo, mitocondri ecc) sono sintetizzate dai ribosomi del RER; la proteina è rilasciata nel

lume del reticolo e poi trasportata al Golgi per eventuali modificazioni post-traduzionali. Le proteine

sono poi impaccate in vescicole e trasferite a destinazione.

L’apparato equivalente al Golgi presente nei funghi si distingue per la

presenza di cisterne a forma di salsiccia, di cordoni, di biglie e di anse.

3) Chitosomi (vescicole che sintetizzano chitina=

Molte delle vescicole contenute nell’AVC non sono state caratterizzate; alcune vescicole isolate in

laboratorio presentavano la capacità (se attivate) di sintetizzare chitina, che poi rilasciavano in

forma di fibrille attraverso la rottura della vescicola. Le vescicole sono trasportate verso l’apice

dalla parte retrostante dell’ifa, ma il meccanismo è ancora ignoto.

4) I vacuoli (vescicole contenenti acqua)

I vacuoli sono lontani dall’apice e si trovano nelle zone meno giovani delle ife; sono coinvolti

nell’espansione cellulare e nei movimenti in avanti del protoplasma all’allungarsi delle ife.

Nei vacuoli sono depositate: sostanze di riserva, vengono riciclati i metaboliti cellulari e il calcio

può essere accumulato per essere poi rilasciato quando necessario come messaggero cellulare.

5) L’endocitosi e il traffico di vescicole

Il citoscheletro e i motori molecolari

In tutti gli eucarioti il citoscheletro è importante nell’organizzazione interna delle cellule, poiché

fornisce la struttura dinamica per il trasporto di organelli, per le correnti citoplasmatiche e per la

separazione dei cromosomi al momento della divisione nucleare; nei vegetali ha anche un ruolo

fondamentale nel determinare la direzione della deposizione delle fibrille di cellulosa.

Il sistema citoscheletrico è composto da tre elementi principali:

1) Microtubuli (polimeri di dimeri di tubulina): sono molecole dinamiche che polimerizzano e

depolimerizzano a seconda delle necessità cellulari, ad esempio gli shock da freddo inducono la

depolimerizzazione. I microtubuli possono interagire con particolari proteine che fungono da

motore ed aiutano nel trasporto degli organelli nel citoplasma. Le tubuline dei funghi, diversamente

da quelle animali e vegetali, reagiscono a componenti tossiche per gli altri organismi e viceversa.

2) Microfilamenti (fatti della proteina contrattile actina): nei funghi è stata osservata l’interazione

tra i filamenti actinici e la proteina motrice miosina e questo implica che sono coinvolti nella

contrazione del citoplasma. In S. cerevisae i microfilamenti muovono gli organelli, al posto dei

microtubuli, durante la costruzione del fuso mitotico.

3) Filamenti intermedi, che forniscono la resistenza alla trazione.

L’accrescimento dei funghi

I funghi che formano ife sono i soli organismi, insieme agli Oomycota, che accrescono apicalmente

tutto il proprio organismo, mediante la sintesi di nuovo materiale di parete; questo accrescimento è

accoppiato anche ad una notevole plasticità: l’apice può appuntirsi e penetrare la parete di una

cellula vegetale, sfruttando la pressione di turgore; o può rigonfiarsi, costituendo strutture globose

come le spore.

Le ife già formate non modificano la loro dimensione in seguito ad un fattore di disturbo; la nuova

crescita è una ripresa della crescita apicale oppure una ramificazione. L’incorporazione di nuovo

materiale di parete avviene nella zona apicale.

Prendendo una zona di una colonia con più ife che si accrescono parallele, si compie un taglio in

diagonale e quindi si osserva quali apici riescano ancora ad allungarsi:

- Taglio troppo vicino agli apici: ife muoiono per il danno

- Tagli lontani dell’apice: ife crescono ma più lentamente di quelle intatte

Zona di crescita periferica: lunghezza minima necessaria a mantenere l’accrescimento di un’ifa

al massimo tasso di distensione.

Lo studioso Robertson dopo aver fatto crescere ife di N. crassa o Fusarium oxysporum su terreni

agarizzati ricchi di nutrienti, sommergeva le ife con acqua e ne osservava il comportamento.

Metà delle ife arrestava temporaneamente la crescita, dopo 1 minuto

ricominciavano a crescere ma con ifa di dimensioni minori.

L’altra metà smetteva di crescere per un tempo più lungo, poi si ingrossava apicalmente e

riprendeva a crescere.

Robertson ripeté l’esperimento con una modifica: dopo 40 secondi di

sommersione, l’acqua era sostituita da un mezzo isotonico con l’agar di

coltura. In questo caso, tutti gli apici si arrestavano per diversi minuti,

rigonfiavano e poi producevano nuovi apici con diametro sottile.

L’interpretazione di Robertson fu che il normale accrescimento apicale deve hai 2 processi

indipendenti:

1) La continua estensione di un apice plastico e deformabile;

2) L’irrigidimento della parete retrostante l’apice.

L’idea di Robertson era che questi due processi avessero la stessa velocità, ma che l’irrigidimento

avanzasse con un piccolo ritardo costante rispetto all’accrescimento apicale.

La presenza di uno shock, come lo quello osmotico dovuto all’aggiunta di acqua, arrestava

temporaneamente l’estensione apicale, permettendo all’irrigidimento di parete di raggiungere

l’apice.

Se il processo di estensione riesce a ripartire, lo fa nella porzione di parete non ancora irrigidita.

Se invece l’apice si arresta, nuovo accrescimento potrà verificarsi solo da zone lievemente

retrostanti, in tempi più lunghi, formando delle ramificazioni. Il trattamento con mezzo isotonico

produce due cambiamenti di stato osmotico, rallentando due volte il processo di allungamento.

L’assemblaggio della parete cellulare nell’apice ifale

La sintesi di materiale di parete nell’apice ifale è un processo complesso e tra le principali

componenti di troviamo:

1) Chitina sintasi: La chitina è una componente della parete fungina e la chitina sintasi è

necessaria per l’allungamento ifale; la chitina è viene trasportata dai chitosomi in forma inattiva

(zimogeno) e prodotta in sito, l’attivazione dell’enzima richiede una proteasi che viene trasportata

all’apice da altre vescicole.

La chitina sintasi è una proteina intrinseca di membrana, i substrati sono sul lato interno della

proteina, che rilascia all’esterno della membrana la chitina; la sua attività può essere regolata da

inibitori.

2) Glucano sintasi: La glucano sintasi produce catene glucaniche che spesso costituiscono il

grosso della massa di parete; anche in questo caso l’enzima è trasportato da vescicole e si integra

nella parete, il substrato è l’UDP-glucosio, ma la regolazione della sua attività non è controllata da

inibitori.

La glucano sintasi è formata da 2 subunità: esterna (sito catalitico che sintetizza glucani), interna

GTP.

3) Mannoproteine: Le mannoproteine e altre proteine sono una piccola porzione dei costituenti di

parete delle ife, sono invece abbondanti nella parete dei lieviti; raggiungono il plasmalemma in

forma attiva, mediante vescicole golgiane e vengono rilasciate all’esterno.

4) Cross-linking e maturazione: I legami cross – linking avvengono tra i diversi componenti, essi si

formando progressivamente allontanandosi dalla zona apicale; le molecole di chitina sono inoltre

connesse tra loro da legami idrogeno, così come fanno quelle di glucano.

5) Enzimi litici che degradano la parete: L’attività di enzimi litici non è ancora chiara, per alcuni

l’attività litica è necessaria per ammorbidire la parete e permettere l’inserimento di nuove

componenti; per altri le componenti citoscheletriche sarebbero sufficienti per rinforzare l’apice,

rendendo inutile la necessità una parete rigida in quella zona e i processi litici. E’ comunque

indispensabile la presenza di questa attività per la formazione di nuove ramificazioni, soprattutto in

zone lontane dall’apice.

Il modello di Wessels riguarda l’accrescimento della parete e dell’apice dei funghi, in cui non è

necessaria la presenza di enzimi litici: la nuova parete apicale sarebbe viscoelastica in modo che i

polimeri della parete fluiscano verso l’esterno e l’interno, allontanandosi dall’apice si formando

legami incrociati che irrigidiscono la struttura (riducono elasticità e viscosità).

La forza motrice dell’accrescimento apicale

La forza che guida l’aumento di estensione è legata alla pressione di turgore; inoltre sono coinvolti:

1) Filamenti: l’actina sarebbe la componente più importante, ci sono vari motivi: nelle cellule

animali l’emissione di pseudopodi è collegata alla polimerizzazione dell’actina, l’actina è coinvolta

nell’individuazione del sito di gemmazione, mediante il trasporto di materiali in associazione alla

miosina.

2) Microtubuli: I microtubuli sono coinvolti in quanto l’effetto di alcune molecole che vi

interagiscono bloccano la crescita fungina, questo perché bloccano il trasporto di vescicole dalle

zone retrostanti verso l’apice.

3) Calcio: La carenza di calcio impedisce l’accrescimento apicale, in quanto è un importante

messaggero secondario e la sua concentrazione cellulare è strettamente controllata; la superficie

del plasmalemma è ricca di canali di calcio attivati dallo stiramento della membrana, l’ingresso di

calcio rappresenta una perturbazione che coinvolge l’interazione con il citoscheletro.

La germinazione delle spore e l’orientamento della crescita dell’apice

Alcuni segnali ambientali inducono la germinazione delle spore fungine e quindi si forma l’ifa e il

relativo apice; sempre a causa di segnali ambientali, gli apici delle ife possono riorientare la loro

crescita, modificando la direzione di sviluppo.

Alcune spore germinano in qualunque punto della superficie, altre germinano solo in un punto

preciso, caratterizzato da parete sottile e detto Poro Germinativo, ad esempio le uredospore che

causano le “ruggini”, le spore flagellate dei chitridiomiceti, oomiceti e plasmodiofori, sono tutti

funghi patogeni e la spora si orienta sulla superficie dell’ospite in modo che l’ifa germinativa sia

rivolta verso l’ospite stesso.

La germinazione delle spore segue alcuni passi costanti:

- rigonfiamento mediante idratazione ed incorporazione di nuovo materiale di parete lungo tutta la

superficie della sporta

- un tubetto germinativo (cioè una giovane ifa) fuoriesce da un punto preciso e da questo momento

la deposizione di materiale di parete si concentra nella zona apicale.

Temperatura: In Aspergillus niger, la germinazione delle spore è controllata dalla temperatura.

Dopo un periodo di stress termico, inibente la germinazione, il ripristino di temperature permissive

è associato alla germinazione, immediatamente seguita dalla formazione di nuove spore: si parla

di sporulazione microciclica per descrivere questi rapidi cicli riproduttivi. È una modalità

osservata frequentemente per funghi che crescono in contesti poveri di nutrienti.

Si definisce tropismo una risposta di crescita direzionale in seguito ad uno stimolo esterno.

Un esempio tra i funghi è quello di Geotrichum candidum, in cui la germinazione si ha

normalmente ai poli della spora, ma non in prossimità o a contatto di altre spore. Questa situazione

può essere modificata dalla disponibilità di ossigeno.

Altro esempio Nel caso di Idriella bolleyi, un fungo mitosporico sfruttato come agente di

biocontrollo di patogeni a livello radicale, si osserva una chiara crescita in direzione delle radici

morte (e in allontanamento da quelle vive). In questo modo il fungo si nutre come saprotrofo del

materiale vegetale morto, evitando che questo possa essere sfruttato come primo nutrimento da

parte di patogeni.

Le spore di molti funghi mostrano risposte di orientamento anche in campi elettrici con forza

adeguata.

Il ciclo cellulare dei lieviti

Le ife fungine crescono continuamente per estensione apicale; le cellule dei lieviti, invece,

gemmano, producendo colonie di singole cellule; la gemma cresce in modo apicale, poi si rigonfia

per deposizione uniforme di materiali di parete. Si ha poi la divisione nucleare e il processo di

chitochinesi che porta alla formazione del setto di divisione costituito da chitina e rivestito da

betaglucani e mannani.

Il ciclo cellulare dei lieviti è stato studiato come modello del ciclo cellulare degli eucarioti e quindi

diviso in varie fasi: G1, S, G2 e M; ad ogni ciclo è formata una gemma.

Il lieviti possono formare gemme o dividersi per scissione binaria o schizogenesi.

Alcuni funghi ifali hanno un ciclo confrontabile con il ciclo cellulare dei lieviti; ad esempio il

Basidiobolus ranarum, è un fungo che si ritrova nello stomaco di alcuni anfibi in forma di cellule

singole, ma in coltura in vitro, cresce formando delle ife che presentano setti completi, senza pori.

L’ifa apicale si accresce e quando ha raggiunto una dimensione critica, il nucleo si divide e si forma

un setto; la cellula apicale neoformata ripete il ciclo, mentre la cellula immediatamente retrostante

produce una ramificazione laterale che a sua volta si accresce apicalmente con le modalità già

viste.

Dopo aver contato il numero di apici e la lunghezza delle ife è possibile calcolare un indice di

lunghezza ifale:

L’indice è costante e caratteristico in ciascuna specie ed è legato al volume delle ife; questi funghi

sono formati da un’unità ifale costituita da un apice e un preciso volume di ife. La crescita delle ife

si adatta alla presenza di nutrienti, dove sono abbondanti le ife sono crescono fitte, dove sono

poco concentrati le ife sono più rade.

Cinetiche di crescita fungina

La crescita è un aumento controllato del numero di cellule o della biomassa; tutte le componenti

sono incrementate in maniera regolare. Se consideriamo un sistema di coltura chiuso in vitro in cui

i nutrienti sono presenti in quantità note all’inizio e misuriamo il peso o il numero di cellule ad

intervalli regolari, i dati possono essere messi in un grafico e si può ottenere una curva che

descrive la crescita.

La curva è suddivisa in porzioni:

- Fase Latenza, lag (a): l’adattamento dei microrganismi alle nuove condizioni, con crescita lenta

- Fase di Crescita, Log (b): crescita rapida, durante la quale le cellule si dividono rapidamente,

raddoppiando il loro numero con frequenza elevata

- Fase di decelerazione c): quando i nutrienti cominciano a scarseggiare o si accumulano dei

metaboliti che inibiscono la crescita, la crescita comincia a ridursi

- Fase stazionaria: la crescita si arresta (d, fase stazionaria)

- Fase morte (e): la biomassa cala a causa dell’esaurimento dei nutrienti e all’accumulo di

composti tossici ed inibenti, il calo della biomassa è associato alla morte.

Nella fase esponenziale, a crescita rapida, si ha il massimo della produttività di biomassa; questa

fase può essere mantenuta rifornendo continuamente la coltura di nutrienti o trasferendo le colture

in terreni nuovi.

µ = Tasso di Crescita Specifico (caratteristico di ogni specie)

No / Nt = numero di cellule presenti (biomassa) al tempo iniziale to e dopo un intervallo di tempo t

g =Tempio di duplicazione (tempo di generazione

[ ]

log Nt No)

( −log

µ= ×2.303 Per calcolare Tasso Crescita Specifico

t−¿

log 2

e

g= µ

Esempio: concentrazione di 103 cellule al tempo zero e 105 cellule dopo un dato intervallo di

tempo

NB: le seguenti equazioni descrivono la crescita dei Lieviti

Alcuni funghi miceliari hanno crescita esponenziale, ma la mantengono con difficoltà perché

quando le ife crescono formano ammassi in cui i nutrienti e l’ossigeno non penetrano in modo

omogeneo; in questo caso si somministrano delle molecole le Paramorfogeni che causano una

crescita più dispersa delle ife.

Le colture batteriche sono usate in campo industriale perché alcuni metaboliti (es. antibiotici) sono

prodotti nella fase di decelerazione o stazionaria.

L’alternativa alle Batch Cultures è data dalle colture in continuo dove vengono continuamente

forniti nutrienti ed eliminate le sostanze di scarto; in questo caso è possibile monitorare il contenuto

di ossigeno, la temperatura ed il pH in modo da mantenere costanti le condizioni ottimali di

crescita.

Chemostat: terreno di coltura in continuo più usato.

Differenziamento e sviluppo (pdf 9)

Differenziamento (animale e vegetale): transizione dallo stato embrionale a quello definitivo,

determinazione del destino cellulare.

Differenziamento (funghi): cambiamento regolato di un organismo da uno stato ad un altro.

Dimorfismo micelio / lievito

I funghi crescono come Ife o come Lieviti a singola cellula; i lieviti sono abbondanti in habitat ricchi

di nutrienti, non sono capaci di degradare i polimeri complessi e non possiedono potere di

penetrazione, mentre i funghi ifali possono superare gli strati superficiali protettivi degli organismi

ospiti.

Alcuni funghi passano dalla forma a lievito a quella di micelio e viceversa:

C. Albicans è presente sottoforma di lievito nelle mucose umane, ma assume forma ifale per

colonizzare tessuti.

Alcuni entomopatogeni superano l’esoscheletro di chitina in forma ifale e poi colonizzano i fluidi

circolanti in forma di lieviti.

Alcuni patogeni del sistema vascolare delle piante, penetrano la superficie dell’ospite come ife e

poi proliferano nel sistema come lieviti.

Diversi patogeni dell’uomo crescono come saprotrofi in forma di micelio su resti di animali e piante

morti, ma diventano lieviti nei fluidi corporei o a 37°.

Altri funghi saprofiti modificano la loro forma in funzione della disponibilità di ossigeno (il lievito ha

respirazione Anaerobica)

Controllo della transizione: Per identificare i fattori responsabili della transizione si fa crescere un

fungo in condizioni costanti e poi si modificano uno alla volta i fattori ambientali.

Differenze nella segnalazione cellulare e nei fattori di regolazione: La trasduzione del segnale è

coinvolta nella percezione dei fattori ambientali e quindi anche nel determinare la forma dei funghi.

Le strutture di infezione dei patogeni delle piante

I patogeni delle piante possono penetrare nei tessuti interni dei loro ospiti attraverso aperture

naturali (stomi, lesioni) o aprendosi un passaggio; la penetrazione è associata alla produzione di

strutture specializzate, che sono analoghe anche negli entomopatogeni:

- Appressori: strutture rigonfie e terminali formate da tubetti germinativi

- Ifopodi: simili agli appressori ma formati da brevi ramificazioni laterali delle ife

- cuscinetti di infezione: formati quando deve essere superata una certa resistenza dell’ospite

(queste strutture ancorano il fungo al substrato, spesso secernendo una matrice mucillagginosa)

- stiletto di infezione: si forma sotto le strutture di pre-penetrazione

Gli interruttori morfogenetici per il differenziamento di strutture di infezione

Il contatto con superfici di sufficiente durezza è promuove lo sviluppo di strutture di infezione; la

percezione del contatto può essere:

- Topografica: ife fungine rispondono alla presenza di rilievi/solchi formando strutture di infezione

- Non topografica: è sufficiente il contatto con una superficie rigida

Quando un tubetto germinativo localizza il rilevo in cui si trovano degli stomi, arresta il suo

allungamento e l’apice si rigonfia a formare un appressorio; i due nuclei presenti nel tubetto

germinativo migrano nell’appressorio, si dividono e si forma un setto che divide l’appressorio dal

tubetto germinativo.

Un cuneo di penetrazione entra nella cavità sottostomatica e produce una vescicola

sottostomatica; dalla vescicola si sviluppa un’ifa di infezione che genera una cellula madre, si

forma l’austorio (cellula specializzata nell’assorbimento di sostanze nutritizie che penetra nel

parenchima fogliare della cellula ospite)

Sono stati osservati quattro tipi di comportamenti:

Gruppo 1: rispondono alla presenza anche di un solo rilievo o solco, di altezza ben precisa

Gruppo 2: rispondo alla presenza di rilievi o solchi con un minimo di altezza

Gruppo 3: formano appressori anche su superfici piatte, senza rilievi.

Gruppo 4: richiedono una serie di rilievi con altezza precisa e precisa spaziatura tra un solco e

l’altro.

Sclerozi

Gli sclerozi sono corpi ifali specializzati nella sopravvivenza in dormienza; si formano per ripetuta e

localizzata ramificazione di ife, seguita da adesione delle ife che si sono formate e anastomosi

delle ramificazioni.

Le ife esterne formano una specie di guaina,

Ife intermedi: organizzano una specie di pseudotessuto (cortex) di cellule melanizzate

Ife più interne: costituiscono le medulla, sito di accumulo di nutrienti di riserva (glicogeno, lipidi e

trealosio).

Quando le condizioni ambientali sono idonee, germinano, producendo delle ife o dei corpi fruttiferi

di tipo sessuale. La carenza di nutrienti promuove la rapida crescita di sclerozio; molte riserve della

colonia fungina sono allora mobilitate e trasferite agli sclerozi, dove sono conservate per il

momento della germinazione.

Organi di trasporto dei nutrienti (pdf 10)

Tutti i funghi ifali trasportano nutrienti, alcuni hanno organi specializzati nel trasporto dei nutrienti

alle aree del fungo povere di nutrienti; questi organi sono classificati in cordoni miceliali o

rizomorfi, li troviamo in funghi ectomicorrizici (trasportano carboidrati dalle radici al micelio del

suolo, minerali e acqua nella direzione opposta). I cordoni miceliali trasportano carboidrati, azoto

organico e acqua dalla fonte al sito di uso/accumulo; compiono un trasporto di acqua sostenuti da

flussi di massa osmotici.

L’avvio dei cordoni si ha appena dietro il margine apicale; alcune ramificazioni emergono dalle ife

principali e si ramificano a “T”, producendo 2 ife parallele a quella principale; ogni ramificazione

produce altre ramificazioni, irrobustendo e inspessendo il cordone, viene anche secreta una

matrice che cementa le ife tra loro. Alcune delle ife principali si differenziano in: ife vascolari, altre

assumono una funzione di fibre.

La formazione dei cordono è promosso dalla presenza di azoto inorganico (es. nitrato), ma non

dalla presenza di amminoacidi; i cordoni si formando quando l’ifa principale rilascia N in condizioni

di scarsa disponibilità di N. Le ramificazioni crescono in prossimità della ifa principale dove N è

disponibile.

Un meccanismo di questo tipi avviene nei funghi che degradano il legno, in quanto esso è povero

di N; i funghi ectomicorrizici degradano molecole organiche contenenti N.

I rizomorfi hanno funzione analoga a quella dei cordoni, ma hanno un’organizzazione strutturale

più definita; Armillaria mellea è un fungo patogeno per le latifoglie, si diffonde di pianta in pianta

grazie alla formazione di rizomorfi nel suolo che crescono lungo il tronco di piante uccise per il

marcire delle radici.

La parte terminale di un rizomorfo presenta un involucro di ife impacchettate, dietro l’apice sono

presenti delle “frange” di corte ramificazioni ifali; il resto del rizomorfo è organizzato in zone:

corteccia esterna (cellule avvolte in matrice e con parete spessa e melanizzata), medulla (di ife

parallele, parete più sottile con canale centrale, serve per il trasporto di gas).

I rizomorfi possono accrescersi in lunghezza più rapidamente delle ife isolare e in questo modo

attraversano ampie distanze nel suolo.

La formazione dei rizomorfi è indotta dalla presenza di etanolo o di altri piccoli alcool e dalla bassa

pressione parziale di O2 nell’apice, a valori più elevati di ossigeno l’apice melanizza e arresta la

sua crescita.

L’accrescimento del rizomorfo richiede energia e quindi consumo di O2 per la respirazione; ci sono

quindi due esigenze contrastanti:

- basso tenore di ossigeno nell’apice

- alimentare la crescita attraverso la respirazione

Questo è possibile alimentando i processi respiratori tramite O2 proveniente dal canale centrale e

rivestendo la superficie dell’apice con un sottile strato di H2O che limita la diffusione dell’O2.

Le due esigente contribuiscono a mantenere la crescita delle rizomorfe ad una profondità del suolo

ben precisa che corrisponde alla profondità in cui crescono le radici delle piante, in caso contrario

se:

- profondità è troppo elevate: ossigeno diventa un fattore limitante e la struttura arresta

l’allungamento

- profondità ridotta (apice troppo vicino a superficie): l’acqua si asciuga e la crescita è interrotta, gli

apici interrotti vengono degradati per generare Pori respiratori connessi al canale centrale.

La riproduzione asessuale

I funghi producono diverse spore asessuali; ci sono due diversi processi formano le spore:

1) Formazione di sporangiospore, per frammentazione del protoplasma di uno sporangio

multinucleato; caratteristica degli oomycota e dei funghi un tempo classificati come Chitridiomycota

e Zygomycota

2) Formazione di conidi dalle ife o da speciali strutture ifali, ma mai dallo sporangio; processo tipico

di Ascomycota, alcuni Basidiomycota e dei funghi mitosporici.

Lo sporangiospore sono prodotte dentro sporangi a parete sottile; nello sporangio i nuclei vanno in

contro a ripetuti cicli di divisione mitotica, il citoplasma viene separato attorno ai diversi nuclei

dall’allineamento e dalla fusione di membrane. Negli Zygomycota il processo si conclude con la

formazione della parete, mentre negli Oomycota e nei Chitridiomycota il passaggio terminale è

dato dallo sviluppo dei flagelli.

Il processo di frammentazione del citoplasma avviene in differenti:

- in alcuni funghi e oomiceti: si ha la produzione di vescicole di frammentazione che migrano

attorno ai nuclei, i nuclei sono allineati e le vescicole, fondendosi, formando il plasmalemma di ogni

spora.

- in alcuni oomiceti: nello sporangio si sviluppa un vacuolo centrale che forma raggi tra i nuclei, le

membrane del vacuolo si fondono con il plasmalemma, delimitando le diverse spore.

La maggior parte degli Oomycota ha mantenuto una forte dipendenza dall’acqua per il

completamento del ciclo vitale e producono sporangi che restano attaccati alle ife; alcune specie

patogene di piante hanno sporangi che si distaccano e possono essere dispersi dal vento. Gli

sporangi si frammentano e producono le spore a basse temperature in acqua, mentre a

temperature superiori possono essere gli sporangi stessi a germinare direttamente.

Molti oomiceti sono sensibili all’antibiotico antibatterico streptomicina; in passato questa molecole

è stata utilizzata anche come antifungino. Ad alte concentrazioni l’antibiotico è tossico, mentre a

dosi subletali impedisce la frammentazione dello sporangio e la separazione in zoospore, la massa

risultante è incapace di germinare. E’ probabile che la streptomicina disturbi i meccanismi di

assunzione del calcio.

I conidi si formando in diversi modi, ma sempre su un’ifa o un conidioforo, mai per frammentazione

del citoplasma in uno sporangio; i conidi possono essere prodotti mediante:

- Rigonfiamento di un apice ifale, seguito da formazione di setti

- Gemmazione sequenziale

- Frammentazione di ife.

- Estrusione da Fialidi che risultano in una catena di spore

- Formazione di strutture complesse come il coremio (massa aggregata di conidiofori), il picnidio

(struttura multicellulare) o l’acervolo (un tappeto di ife).

Le modalità di formazione dei conidi sono riunite in due modelli base:

- Conidi blastici, si formano per gemmazione o rigonfiamento e si separano poi dalla cellula

madre.

- Conidi tallici, sono formati mediante un processo di frammentazione.

Neurospora crassa (fungo modello per conidi blasitici): formazione di conidiofori (ife aeree) che

crescono ad una certa distanza dal substrato e rigonfiano l’apice; la punta di rigonfiamento

produce una crescita a gemma che si rigonfia e ripete il processo. Si forma una catena ramificata

di proconidi, quando si formano i setti di separazione diventano conidi.

In altri casi conidi uninucleati sono prodotti da fialidi; essi rilasciano una spora dal loro poro e

durante il processo il nucleo si divide: un nucleo resta nel fialide (per ripetere la divisione e

produrre nuovi conidi), l’altro entra nella spora nascente.

Dipodascus geotrichum (fungo per conidi tallici): un ramo laterale cresce di una certa lunghezza,

arresta la crescita e forma diversi setti che suddividono la ramificazione in compartimenti.

L’occlusione dei pori è seguita dalla lisi enzimatica che separa le diverse spore.

Regolazione e controllo della conidiogenesi

La formazione dei conidi si verifica durante la crescita della colonia, in zone dietro al margine di

accrescimento della colonia o in ambiente aereo (cioè non nel substrato di crescita); la crescita e

lo sviluppo delle diverse zone della colonia non sono sincronizzate.

I conidiofori sono prodotti solo in carenza di N, ma su substrati ricchi di carbonio; il processo non

procede se il terreno non viene arricchito con N e un componente del ciclo degli acidi tricarbossilici

(es. citrato); allora gli apici possono rigonfiarsi e produrre i fialidi. La produzione di fialidi richiede

un’altra modifica, cioè la contemporanea presenza nel terreno di coltura di azoto e glucosio. Molti

funghi possono sporulare al buio, ma alcuni richiedono uno stimolo luminoso.

I geni coinvolti nel processo sono suddivisi in 3 categorie:

- Geni coinvolti nella transizione della crescita somatica alla sporulazione.

- Geni che controllano le fasi di sviluppo della sporulazione.

- Geni che controllano aspetti secondari della formazione delle spore (es. colore).

Lezione 11 (Pdf 11)

Le idrofobine sono proteine secrete dai funghi, fortemente idrofobiche ed esclusive dei funghi;

hanno un importante ruolo nei processi fungini di differenziazione. Le idrofobine sono dotate anche

di un dominio idrofilico, cosicché quando sono all’interfaccia aria / acqua si assemblano in una

sottile pellicola con un lato idrofilico e uno idrofobico.

Tutto questo avviene tipicamente quando un’ifa risulta esposta all’aria e

quindi si trova rivestita di un film idrofobico.

Sulla superficie dei conidi troviamo dei caratteristici bastoncelli (rodlet)

formati dalle idrofobine. Queste proteine possono intervenire

nell’interazione tra strutture fungine.

Lo sviluppo sessuale

In tutti gli organismi, la riproduzione sessuale prevede 3 eventi fondamentali:

- La fusione di due cellule aploidi (plasmogamia)

- La fusione dei due nuclei per generare un diploide (cariogamia)

- La meiosi per produrre dei nuclei aploidi ricombinanti.

In base alla specie fungina, questi eventi possono avvenire in successione o essere separati nel

tempo; anche il ciclo vitale del fungo (aploide o diploide) influenza il momento in cui avvengono i

tre eventi.

I funghi possono essere:

- omotallici (autofertili).

- eterotallici: necessario un incrocio tra due mating types differenti e compatibili.

Le spore sessuali di molti funghi funzionano come spore dormienti; la riproduzione sessuale ha un

importante ruolo nella sopravvivenza, viene avviata quando insorgono condizioni sfavorevoli alla

crescita vegetativa.

Accoppiamento e controllo ormonale nei diversi taxa

I Chytridiomycota sono funghi omotallici che producono i gameti in 2 tipi diversi di gametangi; i

gameti femminili producono un ormone detto sirenina che attrae i gameti maschili, le cellule

maschili producono un carotenoide.

Gli Oomycota possono essere omotallici o eterotallici, in entrambi i casi ciascuna colonia può

formare strutture sessuali sia maschili (anteridi) che femminili (oogoni). Le ife femminili

producono l’anteridiolo, che induce la ramificazione e la produzione di cellulasi nelle ife maschili,

dopo l’attivazione il ceppo maschile produce degli oogonioli che inducono la formazione degli

oogoni nell’altro ceppo. Le ife fungine del ceppo maschile crescono in direzione di quello

femminile, lo “agganciano” e producono dei tubetti di fertilizzazione che trasferiscono i nuclei

maschili nel ceppo femminile, in particolare nell’oogonio.

Negli ascomiceti si ritrovano due mating types denominati “A” e “α”; alla base di queste differenze

vi sono alcuni geni che controllano l’attività di altri geni:

Su un gene è presente un locus detto MAT, le cellule aploidi si comportano come un mating type di

tipo α, ma possono diventare di tipo a quando l’informazione del locus MATa è copiata e trasferita

al locus MAT in un evento di trasposizione naturale che determina il cambio di mating type ad ogni

evento di gemmazione. L’espressione di MATa è quindi silenziata.

Il locus MAT ha funzione regolativa sull’espressione di diversi geni, tra i quali:

- geni che producono 2 ormoni, detti fattore-a e fattore- α;

- geni che codificano i recettori degli ormoni sulla superficie cellulare;

- geni che codificano le agglutinine della superficie cellulare.

I ceppi “α” rilasciano il fattore α nell’ambiente, dove viene recepito da cellule di tipo a, grazie ad un

recettore specifico. Il legame tra il fattore α e il recettore causa il blocco della cellula in G1, l’unica

fase del ciclo durante la quale la cellula è competente per compiere la riproduzione sessuale.

Il ceppo a produce un fattore a, che viene recepito dal ceppo a, mediante riconoscimento da parte

di uno specifico recettore; i due diversi ceppi producono due strutture che fungono da tubetti di

coniugazione. La superficie di questi è rivestita da agglutinine che fanno aderire i tubetti di due

ceppi differenti quando entrano in contatto. I tubetti si fondono, i nuclei si incontrano, si fondono e

si ripristina la diploidia; poi le cellule cominciano un ciclo di gemmazione o vanno incontro a

meiosi, in base alle condizioni ambientali.

La maggior parte dei basidiomiceti sono eterotallici; possono avere geni del mating type in 1 o 2

loci (in questo caso sono detti loci A e B, non si ha una sola coppia di varianti alleliche, le

probabilità sono più di due, sono Idiomorfi); l’accoppiamento è possibile quando 2 ceppi sono

diversi in ciascun locus.

Nei basidiomiceti, le basidiospore generano dei monokaryon (aploidi); essi possono fondersi per

generare un dikaryon, nel quale i nuclei si duplicano in ciascun compartimento. Quando il fungo

produce un corpo fruttifero, all’interno dei basidi si osserverà la cariogamia e la meiosi, che

produrrà nuove basidiospore.

Il locus A controlla l’appaiamento e la sincronia delle divisioni nucleari, e la formazione delle

ramificazioni che dovranno dare le giunzioni a fibbia. Il locus B controlla la dissoluzione dei setti e il

completamento delle giunzioni a fibbia.

Lo sviluppo di corpi fruttiferi dei Basidiomycota

I funghi con gambo e cappello, quelli a mensola e altri corpi fruttiferi dei basidiomiceti sono le più

grandi e complesse strutture differenziate del regno dei funghi; uno dei modelli di studio è il fungo

Schizophyllum commune: crescita veloce su terreni agarizzati, producendo corpi fruttiferi in seguito

a stimolo luminoso.

Lo stimolo luminoso innesca il processo di formazione dei primordi dei corpi fruttiferi, la privazione

dei nutrienti a base di C nel terreno completa il processo; in queste condizioni, le riserve di

glicogeno presenti nel micelio sono trasformate in glucosio e trasferite ai primordi dei corpi fruttiferi.

Una volta esaurite le scorte, anche le strutture di parete vengono degradate per continuare ad

alimentare il trasferimento di materiali verso i primordi.

Per studiare i geni associati allo sviluppo dei corpi fruttiferi in S. commune; è stata osservata la

produzione di mRNA e polipeptidi nei monokaryon e nei dikaryon, in due condizioni diverse:

- in colonie di 2 giorni: con i monok. e i dik. che crescono come ife con struttura simile

- in colonie di 4 giorni esposte alla luce: monok. generano ife aeree i dik. differenziano molti corpi

fruttiferi.

I risultati hanno mostrato che:

- Nelle colonie di 2 giorni: 20 proteine erano esclusive di monok. e altrettante di dik., queste

differenze non erano associate a variazioni di mRNA messaggero, dovevano dipende da fasi

successive il controllo dell’espressione genica o da modificazioni post-traduzione

- nelle colonie di 4 giorni: 8 proteine in monok. e 37 in dik. (di queste 37 alcune erano solo nei corpi

fruttiferi, altre si trovavano sia nei corpi fruttiferi che nel micelio, altre ancora venivano secrete

all’esterno)

- nelle colonie di 4 giorni: 30 mRNa esclusivi di dik., nessun mRNa esclusivo di monok.

- tra le proteine secrete alcune erano Idrofobine (primo esperimento in cui vengono trovate)

La produzione commerciale di funghi

Per la produzione di A. bisporus (più coltivato al mondo, grande valore di mercato) si ricorre a una

miscela di paglia e escrementi animali, si procede poi all’inoculo di ife del fungo; in 2 settimana, il

compost viene completamente colonizzato dal fungo, si procede a depositare un sottile strato di

torba umida e gesso sulla superficie della coltura. Nei giorni a seguire il fungo colonizza con

cordoni questo strato e comincia a produrre dei corpi fruttiferi.

La deposizione dello strato di torba e gesso è indispensabile per innescare il processo; vengono

coinvolti batteri pseudomonadali che rilasciano piccoli metaboliti che innescano la produzione dei

corpi fruttiferi.

La nutrizione nei funghi (pdf 12-13):

Le richieste nutrizionali dei funghi sono semplici: partendo da una fonte di C (per energia e sintesi

biomolecole) e dai minerali del substrato, essi possono sintetizzare tutte le altre molecole

necessarie.

I funghi si nutrono per assorbimento: la parete non permette di fagocitare particelle di cibo, quindi i

substrati devono degradati a molecole di piccole dimensioni prima di essere assorbiti.

Le necessità di base per la nutrizione fungina

La maggior parte dei funghi coltivabili cresce su substrati agarizzati a base di PDA (estratto di

patate bollite con un contenuto di glucosio pari al 2%), estratto di malto, agar (2 % di estratto di

malto) o farine vegetali.

I mezzi di coltura sono ricchi di carboidrati e con pH tendente all’acidità (5-6), a differenza delle

colture batteriche che sono cresciute su substrati più ricchi di azoto e con pH neutro o alcalino;

l’agar però contiene delle impurità, come anche le farine egli estratti, quindi per conoscere le

necessità nutrizionali bisogna usare colture liquide (senza agar) fornendo i nutrienti come molecole

pure.

Quando un terreno non è sufficiente, è necessario aggiungere altri nutrienti; alcuni funghi,

soprattutto basidiomiceti, non possono assorbire l’N come ammonio o nitrato; è necessario fornire

forme organiche di N, quali alcuni amminoacidi (es. asparagina).

Alcuni funghi hanno necessità correlate al loro normale ambiente di crescita:

es. certi oomiceti necessitano di steroli vegetali; altri di amminoacidi contenenti zolfo (es. cisteina),

infine, funghi che crescono sugli escrementi animali necessitano di ferro fornito all’interno di gruppi

eme.

Terreno di crescita minimo: capace di alimentare la crescita, ma non la riproduzione

Spesso l’attivazione dei processi riproduttivi richiede nutrienti aggiuntivi, anche le condizioni

ambientali influiscono sulle necessità nutrizionali.

Glicerolo e acidi grassi sono ottimi substrati per molte specie fungine, mentre gli amminoacidi

possono essere utilizzati, ma l’elevato rapporto tra N e C di queste molecole ha effetti negativi

sulla crescita.

Tutti i funghi possiedono i trasportatori per il glucosio, essi però hanno bassa specificità, quindi in

assenza di glucosio trasportano anche altri zuccheri (questo trasporto innesca l’espressione di

trasportatori specifici). Ad esempio quando un fungo ha esaurito il glucosio: arresta

temporaneamente la crescita, sintetizza i trasportatori per un altro zucchero (es. galattosio) e la

crescita riparte.

L’uso di polimeri richiede la sintesi di specifici enzimi: amilasi per l’amido, cellulasi per la cellulosa,

proteasi per le proteine. In conclusione, i funghi possono sfruttare un’ampia gamma di substrati,

ma in tutti i casi questi devono essere ridotti a composti semplici: monosaccaridi, amminoacidi, di-

tripeptidi.

Le modalità di nutrizione dei funghi hanno determinato l’evoluzione delle modalità di crescita dei

funghi: la velocità di diffusione delle molecole organiche non è sufficiente ad alimentare la crescita

di una cellula ferma, inoltre gli enzimi degradativi rilasciati diffondono lentamente e non possono

allontanarsi molto dalla superficie del fungo; di conseguenza nelle zone prossime alla superficie

fungina la disponibilità di nutrienti si esaurisce rapidamente generando una zona di deplezione,

allungando le ife il fungo raggiunge nuove zone.

Le ife fungine in attiva crescita generano un campo elettrico attorno a loro, il flusso positivo di

carica procede dall’apice verso le regioni subapicali ed è dovuto al trasporto di protoni; questo

flusso è legato all’assorbimento di sostanze organiche, in quanto è un processo che richiede

energia.

Quanto visto spiega perché i lieviti (che non si accrescono in lunghezza come le ife e non sono

mobili) non si nutrano producendo enzimi depolimerizzanti, ma proliferino in substrati ricchi di

nutrienti semplici; essi dipendono dai nutrienti presenti nel substrato o da correnti di acqua che

trasportino nutrienti.

Ci sono tre principali fattori che aiutano i funghi depolimerizzatori a difendere il loro territorio:

- la sintesi degli enzimi depolimerizzanti è regolata da meccanismi di feedback: il rilascio di enzimi

è accoppiato al tasso di utilizzo dei prodotti.

- le fasi finali della depolimerizzazione sono compiute da enzimi associati alla parete, i monomeri

più facilmente utilizzabili non sono disponibili per qualunque organismo.

- i funghi che producono enzimi depolimerizzanti possono produrre antibiotici o altri enzimi

soppressivi.

Gli antibiotici sono prodotti soprattutto da funghi che possiedono la capacità di degradare polimeri

e la loro produzione in vitro è associata a condizioni di scarsa disponibilità di nutrienti.

La cellulosa:

È la molecola organica più abbondante sulla terra: si trova in varie forme (carta, legno, materie

plastiche cellulosiche, fibre tessili) ed è polimero del glucosio; le singole pareti si aggregano e si

allineando parallelamente formando microfibrille, le fibrille sono stabilizzate da legami idrogeno

intercatena, lungo le fibrille si trovano zone (dette micelle) con struttura cristallina alternate a zone

meno organizzate.

A causa della sue organizzazione, la cellulosa presenta straordinarie caratteristiche di resistenza

alla trazione ed agli attacchi enzimatici.

La degradazione della cellulosa

Nella degradazione della cellulosa si ottengono unità di glucosio, in essa sono coinvolti 3 tipi di

enzimi, legati alla parete, chiamati cellulasi (o complesso enzimatico delle cellulasi), i tipi

principali sono:

- Endoglucanasi: agisce in punti casuali nella molecola di cellulosa, frammentandola in polimeri

- Cellobioidrolasi: esoenzima, taglia dimeri di glucosio (cellobioso) alle estremità del polimero di

cellulosa.

-  –glucosidasi: rompe i dimeri di cellobioso in 2 molecole di glucosio, che può essere assorbito

dai funghi.

L’azione dei tre tipi di enzimi è combinata e sinergica e si esplica in modo tale che la degradazione

del substrato non superi la capacità di assorbimento da parte del fungo.

E’ presente un altro meccanismo a feedback negativo: i geni che codificano gli enzimi degradanti

la cellulosa sono repressi quando sono disponibili altri substrati più semplici (come il glucosio); in

assenza di substrati semplici, la presenza di cellulosa può indurre la sintesi delle cellulasi.

La capacità di degradare le forme “cristalline” della cellulosa è presente in un numero

relativamente piccolo di funghi; al contrario, numerose specie fungine hanno la capacità di

degradare forme solubili di cellulosa che portano sostituenti chimici,

es. la carbossimetilcellulosa: molecole che formano gel in acqua e sono utilizzate nell’industria

come adesivo da parati; i funghi che degradano queste molecole secernono un’endoglucanasi, ma

non una cellobioidrolasi.

Nutrizione minerale

Anche i funghi necessitano di sostanze minerali, con differenze quantitative da una sostanza

all’altra: azoto, fosforo e ferro hanno un ruolo importante nelle attività fungine e per le interazioni

con i funghi.

L’azoto è richiesto in quantità maggiore e può costituire un fattore limitante per la crescita fungina

in diversi habitat. I funghi, al contrario di alcune specie batteriche, non sono capaci di fissare

l’azoto atmosferico, ma possono utilizzare diversi substrati a base di azoto: amminoacidi, ammonio

ecc.

L’assimilazione dell’ammonio è accoppiata al rilascio di protoni, con conseguente acidificazione del

mezzo: se il pH scende a valori troppo bassi (< 4) si può osservare l’arresto della crescita della

colonia.

Il fosforo è presente negli acidi nucleici, nell’ATP, nei fosfolipidi, negli zuccheri fosfati ecc; la forma

normale di assunzione è il fosfato. In condizioni naturali è un fattore limitante perché il fosfato

tende a diventare insolubile quando si lega ad alcuni ioni o molecole organiche.

I funghi sono efficienti nel reperire il P, riescono a migliorare la loro capacità di assorbirlo in vari

modi:

- con bassi livelli di fosforo solubile aumentano l’attività dei sistemi di assorbimento del fosforo;

- rilasciano enzimi che distaccano il fosfato da substrati organici;

- solubilizzano i sali insolubili di fosfato mediante il rilascio di acidi organici, che abbassano il pH.

- le ife dei funghi si estendono continuamente in nuove zone del suolo

- le ife fungine accumulano il fosfato in eccesso come polifosfato nei vacuoli

Le piante sono meno efficienti nei funghi nell’assorbimento dei fosfati dal suolo, per questo si

sviluppano simbiosi di tipo micorrizico.

Il ferro è abbondante nel suolo, non è richiesto in grandi quantità; è necessario come scambiatore

di elettroni nelle reazioni di ossidoriduzione a livello cellulare. Quando il pH è superiore a 5.5 il

ferro è presente in forma ferrica (cioè con numero di ossidazione +3) e forma delle molecole

insolubili come gli ossidi ferrici e gli idrossidi. Il ferro viene catturato dal suolo dai Siderofori

(molecole chelanti); essi vengono rilasciati nel suolo, legano Fe3+ e sono riassorbiti da specifici

trasportatori, il ferro viene ridotto a Fe2+ e questo causa il rilascio del sideroforo (ha bassa affinità

per la forma ferrosa), così può essere riciclato.

Efficienza di uso dei substrati

In ambito industriale è di interesse valutare l’efficienza nella conversione dei substrati in metaboliti

o cellule. Si utilizzano due tipi di misure:


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DETTAGLI
Esame: Micologia
Corso di laurea: Corso di laurea in biologia
SSD:

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