Patologia vegetale: anche le piante si ammalano Understand article
Avrete forse sentito parlare dei laboratori di patologia nelle scene di crimine, ma cosa si intende per patologia vegetale? Scopriamo le lotte tra piante e agenti patogeni che durano da milioni di anni.
Le piante sono essenziali per la vita sulla terra. Immagazzinano energia dal sole, assorbono carbonio dall’atmosfera, e traggono minerali dal suolo. Le piante sono macchinari straordinari con cui creare quasi tutto ciò di cui abbiamo bisogno, come ossigeno, medicinali, biocarburanti, vestiti, e cibo.
La resa delle principali colture alimentari (mais, grano e riso) è stata di 2,5 miliardi di tonnellate nel 2021.[1] Oltre cinque miliardi di persone sul pianeta, insieme agli animali da allevamento, fanno affidamento su di essi come alimento base. Queste colture sono spesso il prodotto di un’agricoltura monocolturale, in cui viene coltivata una sola coltura per campo, ciò comporta rischi quali una maggiore suscettibilità alle malattie.
Le piante si ammalano
Se avete mai avuto un giardino o camminato nei boschi, avrete notato che mentre alcune piante appaiono verdi ed in salute, alcune sembrano ammalate. In aggiunta al danno ambientale, le piante possono essere attaccate da tutti i tipi di agenti patogeni come virus, batteri e funghi. Questi agenti patogeni possono infettare tutte le parti delle piante: foglie, germogli, steli, fiori, frutti, radici o tuberi.
Le malattie delle piante hanno conseguenze molto gravi sulla biodiversità e sulla produzione agricola. Ad esempio, la peronospora del castagno, causata dal fungo Cryphonectriaparasitica, ha spazzato via la maggior parte dei castagni americani, con 3,5 miliardi di alberi persi alla fine del 1900.[2] Nel 2019, i patogeni vegetali hanno causato il 40% delle perdite mondiali dei raccolti di mais, patate, riso, soia e grano, per un valore di 181 miliardi di sterline a livello globale.[3] Questo enorme impatto economico si riflette sulla perdita delle nostre risorse alimentari, nonché delle preziose risorse naturali, come acqua dolce, energia e terra fertile, impiegate nella coltivazione di tali colture.
Un esempio dei rischi della monocoltura è la malattia di Panama. La banana Gros Michel è stata la varietà principale coltivata fino agli anni ’50, quando un solo agente patogeno fungino (Fusarium oxysporum) ha spazzato via l’intero raccolto produttivo e ha costretto i produttori a passare ad una varietà resistente. Attualmente, una nuova ondata della malattia di Panama sta minacciando la nuova principale cultivar di banana, la Cavendish, dopo che l’agente patogeno si è evoluto per superare la resistenza della pianta alla malattia.[4]
Sintomi delle malattie delle piante
Le malattie delle piante causano una varietà di sintomi, come foglie, steli, fiori o frutti dall’aspetto anomalo. Mentre alcune malattie uccidono le piante, altre ne interrompono semplicemente la crescita. Ad esempio, il virus del falso ingiallimento del bordo della fragola (SMYEV) arresta la crescita della pianta e ne scolorisce le foglie, facendole diventare gialle (figura 1A).[5]
Alcuni patogeni possono infettare interi alberi. Ad esempio, il deperimento del frassino, causato dal fungo Hymenoscyphusfraxineus, inizialmente infetta le foglie dei frassini, facendole appassire e far diventare marroni (figura 1B). A mano a mano che si diffonde provoca lesioni (tessuto danneggiato) su rami e tronchi (figura 1C), che alla fine uccideranno l’albero interrompendo i suoi sistemi di trasporto di acqua e nutrienti.[6]
Immagini: ©Frank J Louws, per gentile concessione. B) M J Richardson/Geograph, CC BY-SA 2.0. C) Gentile concessione della Food and Environment Research Agency (Fera)/Wikimedia, Crown Copyright.
Alcuni agenti patogeni delle piante causano dei sintomi così peculiari che sono diventati oggetto di opere d’arte (figura 2). I segni causati dalle malattie delle piante possono assumere svariate forme e motivi, da quelli antiestetici a quelli accattivanti o addirittura belli.
© Helen Pennington, per gentile concessione.
Quella del tulipano embrandt è una storia particolarmente interessante: un’infezione virale nei tulipani provoca delle striature sui petali, da essere molto ricercati durante la “tulipanomania” nel XVII secolo.[7] Ignorando che questi peculiari tulipani fossero in realtà malati, il mercato divenne rapidamente insostenibile perché le piante diventavano sempre più deboli dopo ogni generazione.
Tempo di reagire
Le piante sono costantemente esposte ai patogeni e spendono la maggior parte del loro tempo a contrastarli con successo grazie ad un robusto sistema immunitario. In genere, la maggior parte delle piante è resistente a gran parte degli agenti patogeni e le malattie sono l’eccezione piuttosto che la regola. Senza l’efficiente sistema immunitario delle piante, il nostro pianeta non sarebbe così verde.
Cosa rende il sistema immunitario delle piante così efficiente? Le piante hanno sviluppato un sistema immunitario innato composto da diversi strati di meccanismi di difesa all’interno o sulla superficie delle cellule.
Il sistema immunitario delle piante.
Le piante, come gli animali, hanno sviluppato diversi meccanismi di difesa per proteggersi dagli invasori, che possono essere paragonati ad un castello medioevale. Il primo strato di difesa è rappresentato da barriere fisiche, come corteccia e cuticole, simili a fossati e muri. Il muco animale e le ghiandole vegetali sono come truppe di soldati che forniscono una protezione generale e costitutiva. Il secondo strato di difesa, che si attiva quando l’agente patogeno penetra nei primi strati, è il sistema immunitario innato che fa affidamento sulla capacità della pianta di rilevare la presenza dell’agente patogeno.
Le piante possiedono una serie di recettori che riconoscono caratteristiche uniche dei microrganismi estranei e innescano risposte a valle. Esistono molecole specifiche degli agenti patogeni non prodotte dalle piante, come la flagellina (specifica dei batteri) o la chitina (dalle pareti cellulari dei funghi). Questi composti vengono rilevati dai recettori vegetali posti sulla superficie o all’interno delle cellule vegetali e avvisano la pianta della presenza di un agente estraneo. Le risposte di difesa innescate dai recettori attivati includono la produzione di tossine ed enzimi che degradano gli agenti patogeni. Di solito si osserva anche la morte cellulare ipersensibile, in cui un’ area ristretta di cellule collassa per limitare la diffusione degli agenti patogeni. Ciò può essere interpretato come una forma di autodistruzione per proteggere le cellule sane vicine.
Le piante non hanno cellule immunitarie specializzate come gli animali. Ogni cellula è invece in grado di rispondere in maniera autonoma. Inoltre, le piante non hanno la capacità di sviluppare l’immunità verso nuovi agenti patogeni durante la loro vita, a differenza degli esseri umani e degli animali. La capacità delle piante di resistere alle malattie è predeterminata nel loro corredo genetico ed è presente in ogni cellula. Un seme che germoglia contiene tutte le informazioni necessarie per combattere le malattie che incontrerà nel corso della sua vita. Questa si chiama immunità innata.
Anche se questa immunità innata é stata utile alle piante nel corso dei secoli, rappresenta un grande punto debole quando gli agenti patogeni sviluppano nuovi modi per raggirare il sistema di sicurezza della pianta, come nel caso della malattia delle banana di Panama. Le piante spesso si evolvono per diventare nuovamente resistenti, ma ciò richiede cicli di selezione naturale. Questa corsa agli armamenti evolutiva tra piante e patogeni è in atto da millenni, molto prima che gli esseri umani fossero su questo pianeta.
Lo sviluppo di una nuova resistenza può richiedere anni per una pianta selvatica, ma gli agricoltori non possono aspettare così a lungo quando importanti raccolti sono a rischio. La collaborazione tra coltivatori e scienziati è fondamentale per comprendere e gestire le malattie delle piante
Come gli scienziati possono aiutare?
La selezione vegetale è la scienza che migliora le piante introducendo nuovi tratti o rimuovendo quelli indesiderati. Questo è stato fatto fin dall’inizio dell’agricoltura da agricoltori e giardinieri ed è uno dei modi in cui gli scienziati possono aiutare.
Il metodo classico prevede la selezione di due varietà, ciascuna con un tratto di interesse, e l’incrocio per ottenere discendenti con un mix di tratti dalle piante parentali. I coltivatori selezionano quindi le piante che contengono entrambi i tratti desiderati. Ad esempio, una pianta di pomodoro resistente alle malattie può essere incrociata con una pianta di pomodoro sensibile che produce pomodori più grandi. Il risultato desiderato in questa incrocio sarebbe quello di creare una pianta di pomodoro resistente alle malattie e che produca pomodori più grandi. Tuttavia, tali incroci possono essere imprevedibili e impiegare anni per produrre piante stabili con le caratteristiche desiderate. I grandi progressi compiuti nelle tecnologie genetiche negli ultimi decenni possono consentire agli scienziati di adottare un approccio più mirato e di accelerare il processo.
Immagine: Andrew Davis
Recentemente gli scienziati sono riusciti a ridurre sensibilmente i tempi necessari introducendo modifiche genetiche dirette e in modo mirato. Le modifiche genetiche possono essere classificate in due categorie: ingegneria genetica ed editing genetico.
L’ingegneria genetica, comunemente chiamata anche modificazione genetica (GM) o transgenesi, comporta il trasferimento del DNA da una specie all’altra, da una coltura affine o da un’ altra specie. Queste colture modificate devono essere sottoposte a severi test e normative di sicurezza prima del rilascio sul mercato.
L’editing genetico è un metodo più preciso per modificare il DNA di una pianta, attuando cambiamenti mirati senza introdurre DNA estraneo. Ciò produce risultati simili ai metodi convenzionali, ma molto più rapidi. Resta tuttavia aperta la questione se le piante geneticamente cambiate siano paragonabili alle piante geneticamente modificate.
Sebbene i virus siano la fonte più comune di infezione per l’uomo, la maggior parte delle malattie gravi nelle piante derivano da agenti patogeni fungini e oomiceti simili ai funghi. Questi agenti patogeni prosperano in condizioni calde e umide, il che è sempre più problematico a causa dei cambiamenti climatici. Per preservare la diversità delle piante coltivate, gli scienziati stanno esplorando approcci sostenibili per gestire le malattie delle piante e ridurre la nostra dipendenza dai controlli chimici. Ciò può includere la selezione di colture resistenti alle malattie o lo sviluppo di composti naturali per combattere i patogeni delle piante, ma può anche includere pratiche agricole come la rotazione delle colture, sanificazione ed altre tecniche di gestione per controllare la diffusione delle malattie delle piante.
Immagine: Stephen Bornemann
Una combinazione di approcci è spesso necessaria per una gestione efficace e sostenibile delle malattie in diverse aree del mondo. La ricerca sulle piante abbraccia tutti gli aspetti della vita vegetale e i botanici continuano a lavorare intensamente per espandere il numero di opzioni a disposizione degli agricoltori.
References
[1] Dati OECD sulla produzione Agricola: https://data.oecd.org/agroutput/crop-production.htm
[2] Fisher MC, et al. (2012) Emerging fungal threats to animal, plant and ecosystem health. Nature 484: 186–94. doi: 10.1038/nature10947
[3] He S, Creasey Krainer KM (2020) Pandemics of People and Plants: Which is the Greater threat to Food Security. Molecular Plant 13: 933–934. doi: 10.1016/j.molp.2020.06.007
[4] L’agente patogeno fusarium wilt sta causando una nuova pandemia nelle banane in un articolo sulla rivista europea di ricerca e innovazione: https://ec.europa.eu/research-and-innovation/en/horizon-magazine/calling-natural-defences-turn-back-banana-pandemic
[5] Una estensione delle pubblicazioni dello Stato NC sui virus che colpiscono le fragole: https://content.ces.ncsu.edu/strawberry-mottle-smov-of-strawberry
[6] Pagina informativa sul deperimento del frassino sul sito web dell’organizzazione UK Forest Research: https://www.forestresearch.gov.uk/tools-and-resources/fthr/pest-and-disease-resources/ash-dieback-hymenoscyphus-fraxineus/
[7] La vera storia della tulipanomania olandese nella metà del 1600: https://www.history.com/news/tulip-mania-financial-crash-holland
Resources
- Leggete un breve articolo sull’immunità delle piante.
- Guardate una breve animazione sulla storia della ricerca sull’immunità delle piante e sulla nostra attuale comprensione delle reti di immunità delle piante.
- Scoprite di più sulla scienza del sistema immunitario delle piante.
- Imparate come effettuare valutazioni statistiche per misurare la crescita delle piante:: Brown J, Karamurzina S, Zharylgasin S (2020) Grow your own statistical data. Science in School 50.
- Usate la cromatografia su strato sottile nella vostra classe e scoprite i pigmenti che danno alle foglie il loro colore: Tarragó-Celada J, Fernández Novell JM (2019) Colour, chlorophyll and chromatography. Science in School 47: 41–45.
- Scoprite come gli “orologi” interni di una pianta la aiutano a rispondere ai cambiamenti dei cicli giorno-notte: Hubbard K (2019) How plants beat jet lag. Science in School 48: 8–11.
- Informatevi sugli effetti benefici delle chiome degli alberi: Guerrieri R (2019) The secret life of forests. Science in School 46: 20–24.
- Estraete della gomma dalle radici del dente di leone russo: Göbel M, Gröger M (2018) Turning dandelions into rubber: the road to a sustainable future. Science in School 43: 31–36.
- Documentatevi sulla cellulosa e i suoi molteplici usi: Römling U (2017) Cellulose: from trees to treats. Science in School 41: 8–12.