Pat. veg. gen. 4

Resistenza
(1)
Il numero di specie presenti sulla terra è difficile
da calcolare: a seconda degli approcci utilizzati
per il calcolo le stime vanno da 3 a 30 milioni
fino a 100 milioni.
specie descritte
specie esistenti
(stima)
Piante
300.000
370.000
Microbi 150.000
5.000.000
Batteri
6.000
600.000
Funghi
72.000
1.500.000
Considerando il numero di possibili interazioni tra specie di
piante e di microrganismi fitopatogeni (1212) e il numero di
fitopatie riscontrate (30.000 ca) risulta chiaro che
la malattia è un evento eccezionale!
“Le piante si sono coevolute con i
patogeni e i fitofagi per centinaia di
milioni di anni.
Non dobbiamo perciò sorprenderci
se ogni pianta è resistente alla
maggior parte di essi.”
N.T. Keen, 1992
Resistenza delle piante ai patogeni
Le piante sono continuamente esposte a
microrganismi patogeni, insetti e nematodi ecc.
Tuttavia, la maggior parte di esse rimane sana
per gran parte della vita
Esistono meccanismi altamente efficienti per prevenire il
parassitismo e la predazione, o almeno limitarne i danni
Tali meccanismi sono sotto controllo genico quindi, una volta
individuati i geni, è ragionevole sperare che essi possano
essere trasferiti ad altre specie
Le piante non si ammalano perché:
Resistenza del NON OSPITE: la pianta non viene riconosciuta dal
patogeno, oppure non soddisfa le sue esigenze nutrizionali, oppure
possiede barriere fisiche e chimiche preformate che impediscono
l’infezione (La pianta non è suscettibile)
Resistenza dell’OSPITE o INCOMPATIBILITA’ DI BASE: la pianta ha dei
«sensori» che le permettono di riconoscere l’attacco del patogeno e
attivare dei sistemi di difesa (fisici e/o biochimici) che bloccano
l’infezione.
La pianta è suscettibile al patogeno (c’è COMPATIBILITA’ DI BASE) ma
sfugge all’infezione perché le condizioni ambientali sono sfavorevoli al
patogeno.
In tutti gli altri casi le piante possono ammalarsi
Definizioni fondamentali
Secondo l’American Phytopathological Society
Resistenza – è la capacità di una pianta ospite di annullare o
ridurre l’attività di un patogeno.
Suscettibilità – è l’incapacità di una pianta ospite a difendersi
contro o a superare gli effetti dell’invasione di un patogeno.
Tolleranza – è la capacità di un organismo di sopportare l’azione o l’invasione di un patogeno senza o quasi reazione, come
dimostrato dall’assenza completa o quasi di sintomi e danno.
Immunità – è l’essere esente da malattia.
Altre definizioni
Resistenza del non ospite: è la resistenza che la
maggior parte delle specie vegetali dimostrano nei
confronti della maggior parte dei patogeni in quanto
questi ultimi non hanno gli strumenti adatti ad attaccare
quelle determinate specie vegetali o la pianta li
riconosce immediatamente e li neutralizza. Manca la
condizione di “compatibilità di base”.
Resistenza apparente o Sfuggita (= Disease escape) –
è il fenomeno per il quale una pianta suscettibile non si
ammala a causa della separazione, nel tempo e nello
spazio, dei tessuti suscettibili della pianta e delle unità
infettive del patogeno.
Altre definizioni
Patodemo: è una popolazione, nell’ambito di una specie di
piante, caratterizzata dallo stesso spettro di resistenza o
suscettibilità
Patotipo (o razza fisiologica): è una popolazione,
nell’ambito della specie di un patogeno, in cui tutti gli
individui sono caratterizzati dalla stessa attitudine
patogenetica
Patosistema: è la parte di un ecosistema caratterizzata dal
patosismo (pianta ospite e suoi patogeni) che può essere
naturale (se riguarda le piante spontanee) o artificiale ( se
riguarda le coltivazioni impiantate dall’uomo)
Variabilità genetica delle piante e dei patogeni
Tipi di resistenza
1 – resistenza costituzionale e non costituzionale;
2 – resistenza verticale o qualitativa;
3 – resistenza orizzontale o quantitativa;
4 – resistenza d’interazione;
5 – resistenza (meccanica e biochimica) pre e
post- infezionale;
6 – resistenza indotta;
7 – SAR (Systemic Acquired Resistance) =Res.
Sist. Acquisita.
Resistenza non costituzionale
E’ la componente non ereditaria della resistenza poiché non
dipende da fattori legati alla costituzione genetica della pianta
o del patogeno e viene indicata con il termine di “predisposizione”. I principali fattori che la determinano sono:
1 – situazioni ontogenetiche;
2 – nutrizione minerale;
3 – temperatura;
4 – contenuto idrico della pianta;
5 – luce;
6 – ferite;
7 – innesto;
8 – precedenti infezioni.
Situazioni ontogenetiche
1 – Giovinezza suscettibile – vecchiaia resistente
1a – crespino > basidiospore di Puccinia graminis;
1b – grano > uredospore di P. graminis;
1c – pesco alla bolla e all’oidio;
1d – piantine in semenzaio>Pythium spp.
1e - vite a oidio
2 – giovinezza resistente –vecchiaia suscettibile
2a – frutta > Rhizopus e Monilia;
2b – pesco > Tranzschelia pruni-spinosae.
2c – vite (grappolo) a botrite
Situazioni ontogenetiche
3 – Giovinezza e vecchiaia suscettibili–resistenza nella mezza eta’
3a – alcune cultivar di pesco alla ruggine;
3b – tuberi di patata alla cancrena secca.
4 – Giovinezza e vecchiaia resistenti–suscettibilità nella mezza eta’
4a – tuberi di patata alla cancrena umida da Erwinia sp.
Nutrizione minerale
Ruolo dell' azoto - Eccessi di azoto promuovono lo
sviluppo dei tessuti parenchimatici a scapito dei tessuti
di sostegno. Ne deriva una maggiore suscettibilità della
pianta agli attacchi.
Ruolo del fosforo - E' mutevole e dipende dalle
situazioni
Ruolo del potassio - Tende a conferire resistenza, ma
non in tutti i casi
Il CALCIO è l’elemento che gioca il ruolo più importante
nel determinismo della resistenza.
Temperatura
Nella carie del grano da Tilletia le basse
temperature mantengono più a lungo la pianta in
uno stato di suscettibilità;
Gli agrumi danneggiati dal freddo sono molto più
suscettibili agli attacchi di Colletotrichum,
Phomopsis, Dothiorella, Fusarium lateritium.
Contenuto idrico della pianta e
del terreno
Contenuto idrico del
terreno in %
Periodo di incuba- Diametro medio
zione in giorni
delle macchie
fogliari dopo 20 gg
Comparsa di necrosi
dopo giorni
80
12
1,8
51
50
12
1,5
58
20-25
14
1,0
71
Influenza del contenuto idrico sull'attacco della cladosporiosi fogliare
del pomodoro (var. Lucullo) (sec. Volk, 1931; Da Gaumann, 1951)
Luce
Sia l’intensità che la durata della radiazione luminosa influiscono
sull’espressione della resistenza:
- Pomodoro e Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici;
- Pomodoro e Cladosporium fulvum;
- Orzo e Puccinia glumarum f. sp. hordei
Ferite
La presenza di ferite è necessaria per l’attacco di
numerosi patogeni, incapaci di penetrare
direttamente.
Innesto
Cv di melo resistenti al tumore batterico da
Agrobacterium tumefaciens conferiscono
resistenza al sottostante portainnesto, se
questo è suscettibile.
Precedenti infezioni
-Puccinia striiformis su grano attaccato da Tilletia tritici;
-Oidio su pesco attaccato da bolla;
-Botrite su grappolo d’uva attaccato da oidio; la botrite, a sua volta,
può aprire la strada al marciume acido.
In alcuni casi una precedente infezione può proteggere la
pianta da successivi attacchi dello stesso o di altri patogeni
(protezione incrociata o cross protection):
-Piante di cetriolo infette da oidio sono meno suscettibili all’attacco
del CMV;
-Piante di patata infette da virus X o Y sono meno suscettibili alla
peronospora;
-Piante di cetriolo inoculate con TNV sono meno suscettibili
all’oidio.
Resistenza costituzionale
E’ quella legata alle caratteristiche genetiche del soggetto.
Si distingue in:
Verticale e Orizzontale
Questi due termini furono coniati da J.E. Vanderplank e
derivano dal suo classico grafico che definisce i due tipi
di resistenza dell’ospite.
Resistenza verticale o qualitativa
-Ha base monogenica o al massimo oligogenica.
-Ogni gene contribuisce in maniera determinante
alla resistenza (major gene) della cultivar
(patodemo)
-Si esplica contro una o alcune ma non contro tutte
le razze (patotipi) del patogeno
-Si manifesta, nella maggior parte dei casi, con la
reazione di ipersensibilità, che deriva da un
“riconoscimento” tra pianta e patogeno.
-Non è durevole ma è facilmente trasferibile a causa
della sua base monogenica.
Resistenza orizzontale o quantitativa
-Ha base poligenica.
-Ogni gene contribuisce in misura modesta
alla resistenza (minor gene) della cultivar.
-Si esplica contro tutte le razze fisiologiche
del patogeno.
-Di solito, non protegge la pianta
dall’infezione ma ne rallenta lo sviluppo.
-È durevole ma difficilmente trasferibile a
causa della sua base poligenica.
Peronospora
della patata da
Phytophthora
infestans
Max
R1 (Cv Kennebek)
Patodemo con gene di
resistenza verticale R1
Resistenza
Min
0
1
2
3 12 13 23 123 Razze (patotipi)
del patogeno
Il diagramma rappresenta una cv di patata (patodemo) che possiede il
gene di resistenza verticale R1 al fungo P. infestans agente della
peronospora della patata.
Il livello di resistenza è misurato sull’asse verticale delle y con il massimo
all’apice ed il minimo in basso. Le otto razze (patotipi) del fungo che sono
possibili con tre geni di resistenza della patata (p.e. i geni 1, 2 e 3) sono
riportati sotto l’asse orizzontale. Queste comprendono una razza con
nessun gene, tre razze con un solo gene, tre razze con due geni e una
razza con tre geni. Questa cv è suscettibile a tutte le razze del patogeno
che portano il gene 1 ed è resistente a tutte quelle ne sono prive.
Max
R2 (Cv Maritta)
Patodemo con gene di
resistenza verticale R2
Resistenza
Min
0
1
2 3
12 13 23 123
Razze (Patotipo)
del patogeno
Questo secondo grafico rappresenta una cv di patata che ha il
gene di resistenza verticale R2.
Questa cv è suscettibile a tutte le razze del patogeno che
portano il gene 2 ed è resistente a tutte le razze che non lo
hanno.
Max
Resistenza
R1
Confrontando i due grafici, si
nota che le differenze nella
resistenza delle due cv
Patodemo 1 (patodemi) sono parallele
all’asse verticale. Per tale
motivo Vanderplank ha
chiamato questo tipo di
resistenza
resistenza verticale
Min
0
1
2
Max
3 12 13 23 123 Patotipi (razze)
del patogeno
Patodemo 2
Resistenza
R2
Min
0
1
2
3 12 13 23 123 Patotipi (razze)
del patogeno
Razze di P. infestans definite sulla base dell’impiego di 4 geni di resistenza
verticale nel miglioramento genetico della patata
Necrosi (Blight) del pisello da
Pseudomonas syringae
pv pisi
Si conoscono 6 razze del
patogeno
Resistenza verticale o qualitativa
-Ha base monogenica o al massimo oligogenica.
-Ogni gene contribuisce in maniera determinante
alla resistenza (major gene) della cultivar
(patodemo)
-Si esplica contro una o alcune ma non contro tutte
le razze (patotipi) del patogeno
-Si manifesta, nella maggior parte dei casi, con la
reazione di ipersensibilità, che deriva da un
“riconoscimento” tra pianta e patogeno.
-Non è durevole ma è facilmente trasferibile a causa
della sua base monogenica.
Genotipo ospite
Genotipo
patogeno
Se consideriamo due piante
geneticamente diverse, una con un
gene di resistenza R e l’altra con
un gene di suscettibilità r, entrambe
attaccate da due razze del patogeno,
una con il gene di avirulenza Avr
specifico per il gene di resistenza R e
l’altra con il gene di virulenza avr
specifico per il gene di suscettibiltà r,
le combinazioni e le reazioni possibili
sono mostrate in Figura.
Di tutte le quattro possibili
combinazioni dei geni, solo quella in
cui la pianta con un gene di resistenza
R è infettata da un patogeno che ha il
corrispondente gene di avirulenza Avr
si traduce in uno stato di resistenza.
Nelle altre tre combinazioni la pianta è
suscettibile al quella razza di
patogeno.
R
Resistente
dominante
r
suscettibile
recessivo
Avr
Avirulento
dominante
AvrR
Resistenza
Avrr
Malattia
avr
Virulento
recessivo
avrR
Malattia
avrr
Malattia
Meccanismi
funzionamento
Meccanismi
didi
funzionamentocame
Meccanismi di attivazione e funzionamento della resistenza nelle piante
PAMP
Effettore


La PTI
La PTI è la prima
risposta attiva alla
percezione del
patogeno
La PTI viene iniziata
dopo il riconoscimento
di strutture microbiche
evolutivamente
conservate da recettori
superficiali delle cellule
vegetali e la sua
induzione è associata
con il signalling MAP
kinasico, l’induzione
trascrizionale di geni
responsive all’attacco
patogenico, la
produzione di ROS e la
deposizione di callosio
per rinforzare la parete
cellulare nei siti
d’infezione
In this scheme, the ultimate amplitude of disease resistance or susceptibility is proportional to [PTI –
ETS + ETI].
-In phase 1, plants detect microbial/pathogen-associated molecular patterns (MAMPs/PAMPs, red
diamonds) via PRRs (Pattern Recognition receptors) to trigger PAMP-triggered immunity (PTI).
-In phase 2, successful pathogens deliver effectors that interfere with PTI, or otherwise enable
pathogen nutrition and dispersal, resulting in effector-triggered susceptibility (ETS).
-In phase 3, one effector (indicated in red) is recognized by an NB-LRR protein, activating effectortriggered immunity (ETI), an amplified version of PTI that often passes a threshold for induction of
hypersensitive cell death (HR).
-In phase 4, pathogen isolates are selected that have lost the red effector, and perhaps gained new
effectors through horizontal gene flow (in blue)—these can help pathogens to suppress ETI.
Selection favours new plant NB-LRR alleles that can recognize one of the newly acquired effectors,
resulting again in ETI.
Model for the evolution of bacterial resistance in
plants.
(a) Recognition of pathogen-associated
molecular patterns (such as bacterial flagellin) by
extracellular receptor-like kinases (RLKs) promptly
triggers basal immunity, which includes signaling
through MAP kinase cascades and transcriptional
reprogramming
mediated
by
plant
WRKY
transcription factors.
(b) Pathogenic bacteria use the type III
secretion system to deliver multiple effector
proteins that target host proteins and suppress
basal immune
responses, allowing significant accumulation of
bacteria in the plant apoplast.
(c) Plant resistance proteins
(R gene products, such as a TIR-NB-LRR protein)
recognize effector activity and restore resistance
through
strong
effector-triggered
immune
responses.
(d ) Pathogen avoids R gene-mediated defenses by
modifying or eliminating the effector(s) that triggers
those defenses. This state resembles that shown in
(b) except the pathogen has had to alter or lose an
effector protein, or deploy an additional effector
protein. Similar models can be drawn for other plant
pathogens.
Teoria gene-per-gene di Flor
Esistono sistemi genici complementari nelle piante e nei loro
patogeni:
Per ogni gene di un patogeno che
conferisce (a)virulenza esiste, nella pianta,
un gene corrispondente che conferisce
resistenza.
Tracheofusariosi del melone
Geni di resistenza
Cv di melone
(patodemi)
Razze di Fusarium oxysporum
f. sp. melonis
(patotipi)
R0
R1
R2
R 1,2
Nessuno (0)
S
S
S
S
Fom 1
R
S
R
S
Fom 2
R
R
S
S
Fom 1 + Fom 2
R
R
R
S
Poligenica
(orizzontale)
T
T
T
T
Resistenza orizzontale o quantitativa
-Ha base poligenica.
-Ogni gene contribuisce in misura modesta
alla resistenza (minor gene) della cultivar.
-Si esplica contro tutte le razze fisiologiche
del patogeno.
-Di solito, non protegge la pianta
dall’infezione ma ne rallenta lo sviluppo.
-È durevole ma difficilmente trasferibile a
causa della sua base poligenica.
Max
A
Resistenza
CVS di patata
(patodemi)
B
C
Min
0
1
2
3
12
13
23 123
Razze (patotipi)
del patogeno
Questo grafico rappresenta tre cvs (patodemi) di patate che non hanno
alcun gene di resistenza verticale. Di conseguenza esse sono suscettibili a
tutte le razze (patotipi) del patogeno (Phytophthora infestans). Tuttavia la
cv A è meno suscettibile (più resistente) della cv B, che è più resistente
della cv C.
Le differenze in questo tipo di resistenza sono parallele all’asse
orizzontale delle X e ciò ha suggerito a Vanderplank di chiamarla
resistenza orizzontale.
Bolla del pesco da
Taphrina deformans
Non si conoscono geni di
resistenza verticale alla
Taphrina
Resistenza d’interazione
Nella coltivazione di più genotipi di una stessa pianta si manifesta
un livello di malattia inferiore alla somma dei livelli di malattia o di
danno degli stessi genotipi coltivati separatamente.
Le cause della resistenza d’interazione dimostrate sono tre:
1 – la minore densità spaziale dei genotipi suscettibili;
2 – l’”effetto barriera” delle piante resistenti alla diffusione della
infezione tra piante suscettibili;
3 – i tentativi di infezione sulle piante resistenti determinano in
queste uno stato di resistenza indotta (ISR) per mezzo della
quale le piante divengono più “pronte” a reagire efficacemente
contro tentativi d’infezione dello stesso o di altri patogeni