ciclo della malattia File - e

Stadi nello sviluppo del
patogeno
1.
2.
3.
4.
Inoculo
Penetrazione
Infezione
Crescita e
riproduzione
5. Dispersione del
patogeno
6. Sopravvivenza
all’inverno e
all’estate
Inoculo
• E’ il momento in cui il patogeno viene in
contatto con la pianta
• Una volta che il patogeno ha raggiunto la
superficie dell’ospite, perche’ l’inoculo abbia
possibilita’ di proseguire dipende ancora da
molti fattori quali la temperatura e l’umidita’
favorevole per la germinazione delle spore, la
natura (chimica) della superficie della pianta,
la presenza di sostanze inibenti o stimolanti
secrete dalla pianta ospite e la presenza di
altri microrganismi, spesso antagonisti, che si
trovano sulla superficie della pianta
Tipi di inoculo
• Un inoculo che sopravvive
dormiente durante l’inverno o
l’estate e causa l’infezione
originale in primavera o
autunno e’ chiamato inoculo
primario e l’infezione
primaria.
• Un inoculo prodotto da una
infezione primaria e’
chiamato inoculo secondario e
l’infezione secondaria.
• Generalmente piu’
abbondante l’inoculo primario
e più vicino alla pianta più
severa e’ la malattia.
La pre-penetrazione
• Praticamente tutti i patogeni devono innanzitutto
portarsi in contatto con la superficie esterna della
pianta ospite.
• Prima che possano penetrare e colonizzare l’ospite,
devono rimanere attaccati alla superficie dell’ospite.
• L’adesione alla superficie avviene attraverso la
presenza di materiali adesivi sulla superficie delle
spore, batteri e semi che variano in modo significativo
nella composizione e nei fattori ambientali che sono
necessari per farli diventare adesivi.
• Da cosa sono composti? Una miscela di polisaccaridi
insolubili, glicoproteine, lipidi e materiale fibrillare
che quando umidificato diventa “appiccicoso” e aiuta il
patogeno ad aderire alla superficie dell’ospite.
L’adesione
• In alcuni funghi l’idratazione delle spore causa
l’estrusione di materiale mucillaginoso dalla punta
della spora che serve per l’immediata adesione della
spora alla superficie idrofobica della pianta e la
resistenza alla rimozione da parte dell’acqua.
• In altri funghi (powdery mildew) che non richiedono
acqua per l’infezione, l’adesione e’ assicurata dal
rilascio da parte della spora di enzimi cutinasici che
rendono l’area di contatto tra spora e pianta piu’
idrofilica e questo consente di “cementare” l’unione.
• In altri casi le spore appena entrano in contatto con la
superficie dell’ospite iniziano a produrre
glicoproteine.
• Nei patogeni vascolari le spore non aderiscono dopo
l’idratazione ma grazie a questa iniziano a “respirare”
e a produrre proteine di adesione .
Riconoscimento tra pianta e patogeno
Riconoscimento tra pianta e patogeno
• I componenti dell’ospite che agiscono come
segnali di riconoscimento da parte del
patogeno sono numerosi
• Possono includere diversi tipi di molecole
organiche
– Gli acidi grassi della cuticola che attivano le
cutinasi
– Le molecole di galatturonano proveniente dalla
componente pectica della parete e che attivano la
pectina liasi
– Alcune sostanze fenoliche come lo stringolo, che
stimola l’attivazione e la germinazione dei propaguli
d’infezione
– Altre sostanze (isoflavoni, zuccheri) rilasciati in
seguito a ferita
Riconoscimento tra pianta e patogeno
•
•
•
•
•
•
•
I componenti del patogeno che agiscono come elicitori, cioe’ come
segnali di riconoscimento, sono ancora poco studiati
Gli elicitori possono essere rilasciati durante la penetrazione del
patogeno come le elicitine
Alcuni elicitori possono essere rilasciati in seguito a parziale
degrdazione della parete cellulare del patogeno, come i b-glucani, I
chitosani e la chitina
Altri elicitori di patogeni batterici possono essere rappresentati dalle
proteine flagellari che sono in grado di stimolare una risposta difensiva
da parte della pianta come la riposta ipersensibile
Gli elicitori sono determinanti per la cosiddetta “avirulenza” del
patogeno
Infatti se la pianta riconosce il patogeno, stimola una reazione difensiva
e la malattia puo’ essere rallentata o interrotta
Se l’elicitore oltrepassa o sopprime le risposte di difesa (non viene
riconosciuto) l’ospite non riconosce il patogeno e la malattia puo’
procedere
•
•
•
•
Germinazione delle spore e percezione
dell’ospite
Non e’ chiaro cosa stimoli la
germinazione delle spore, ma
sicuramente giocano un ruolo il
contatto con la superficie
dell’ospite, l’idratazione e
l’assorbimento di molecole a
basso peso molecolare dell’ospite
e la disponibilita’ dei nutrienti
Le spore hanno anche dei
meccanismi che prevengono la
loro germinazione fino a quando
non arrivano gli giusti stimoli
oppure quando ci sono troppe
spore vicino
Il tubetto germinativo e’ una
struttura specializzata diversa
dal micelio che cresce molto
poco e si differenzia
nell’appressorio
Se non riceve gli stimolo giusti
da parte della pianta il tubetto
germinativo rimane
indifferenziato
Germinazione e modalità di
germinazione
• Definizione e criteri
– 100% vita attiva: metabolismo normale, vita vegetativa
– Dormienza
• Costituzionale: ibernazione, riposo, diapausa
• Esogena: quiescenza
– 0% criptobiosi: ametabolismo, anabiosi abiosi, vita
latente, anidrobiosi
• Modalità
– Per zoospore o indiretta
– Per tubo germinativo o diretta
– Per promicelio sul quale si sviluppano gli sporidi (o
basidi)
• A questi possiamo aggiungere altri 2 tipi di germinazione
che sono di fatto dei meccanismi di moltiplicazione
– Per gemmazione
– Per scissione
Cambiamenti respiratori in spore
germinanti
Organismo
Spore dormienti
Spore germinanti
QO2
QCO2
RQ
QO2
QCO2
RQ
Phycomyces
blakesleeanus
(100 min)
1.9
-
1.0
11.4
-
1.0
Neurospora
tetrasperma
(4h)
0.4
-
0.6
15-25
-
0.65
Puccinia
graminis tritici
72h
1.6
1.0
0.65
1.4
1.0
0.7
Aspergillus
oryzae (3h)
1.26
-
1.4-2.2
2.17
-
0.6-1.0
Aspergillus
niger (3h)
0.4
-
-
1.8
-
-
Myrothecium
verrucaria (2h)
1.0
-
-
75
-
-
QO2= consumo di ossigeno espresso in mm3/ora per mg di peso secco
QCO2= quantità di anidride carbonica emessa, espressa in mm3/ora per mg di peso secco
RQ= quoziente respiratorio
Percezione di segnali dalla
superficie della pianta
• Tali segnali
sembrano essere il
risultato di una
“signalling pathway”
mediata dal cAMP e
dalle MAPK che sono
state viste regolare
lo sviluppo di
fenomeni di
patogenesi in molti
funghi*
Pathogenesis-related signal
transduction
• In risposta alla presenza della superficie idrofobica dell’ospite
un segnale si propaga attraverso la membrana del fungo e, come
primo step, accumula delle molecole di segnalazione intracellulare
e induce una “cascata” di fosforilazioni
• In alcuni funghi il recettore di tale segnale e’ una proteina che si
trova sulla superficie della membrana, la GCR, G-protein coupled
receptor
• La trasmissione del segnale cAMP procede attraverso l’attivita’
di una protein kinase A (PKA) dipendente dal cAMP con una
conseguente fosforilazione di alcune proteine bersaglio
• Il ruolo principale di PKA nella germinazione consiste nella
mobilitazione di riserve lipidiche e carboidratiche verso
l’appressorio
• Anche le MAPK, in particolare K1 o P1, svolgono un ruolo
fondamentale nella formazione dell’appressorio in risposta ad un
segnale proveniente dalla superficie del’ospite
Formazione e maturazione
dell’appressorio
• Una volta che gli appressori
sono formati essi aderiscono
saldamente alla superficie
fogliare
• In seguito gli appressori
iniziano a secernere enzimi
extracellulari, e generano una
pressione fisica per
penetrare la cuticola
• I funghi che producono
pigmenti melaninici usano
soprattutto la “forza fisica”
per penetrare al cuticola ed
entrare nella pianta
• La pressione di turgore
raggiunta all’interno, grazie
all’elevata concentrazione di
glicerolo, di un appressorio è
40 volte maggiore di quella di
un pneumatico
.. un po’ di definizioni
• Sorgente d’inoculo: qualsiasi organo vegetale o residuo infetto
della vegetazione oppure il terreno albergante il patogeno od i
suoi di conservazione
• Corte d’infezione: qualsiasi organo della pianta che , in condizioni
ambientali favorevoli, è suscettibile di essere penetrata dal
patogeno
• Inoculo: è quella frazione della popolazione del patogeno che
raggiunge la corte d’infezione
• Potenziale d’inoculo: è il numero di unità infettive disponibili per
l’infezione
• NTI-numerical treshold of infection- soglia numerica per
l’infezione: è la quantità minima d’inoculo necessaria per produrre
l’infezione in determinate condizioni ambientali
• Germinazione: è il processo che conduce al primo stadio
irreversibile manifestamente differente dallo stato di
dormienza, giudicato in base a criteri fisiologici e morfologici
• Infezione: è il meccanismo attraverso il quale il patogeno
instaura le anomalie fisiologiche e se è un parassita, si procura il
nutrimento
• Latenza: è l’intervallo di tempo che va dall’inizio della malattia
alla comparsa del primo sintomo
La penetrazione
• Il patogeno penetra la
superficie della pianta
– Per diretta
penetrazione
– Attraverso aperture
naturali
– Attraverso ferite
• Molti organismi in realtà
penetrano le cellule di
ospiti che non sono
suscettibili all’invasione e
che non manifestano la
malattia
• In questo caso il
microrganismo non può
procedere nel suo sviluppo
e muore senza produrre la
malattia
La penetrazione in funghi…
• Penetrazione diretta:
questo tipo di
penetrazione non è
esclusiva dei biotrofi,
anche patogeni nonspecifici (Botrytis)
possono in particolari
condizioni attuare
questo tipo di strategia
di penetrazione
Austori
… nematodi
• Una volta prossimi alla pianta, i nematodi vengono attratti da
fattori chimici rilasciati dalle radici (CO2 e aminoacidi)
• I nematodi possono essere attratti sia da piante ospite che
non ospite anche se poi a penetrazione avviene in quelle
ospite
• I nematodi penetrano nella pianta direttamente o attraverso
le aperture naturali
… Batteri
• I batteri penetrano nelle piante principalmente attraverso le ferite
e meno frequentemente mediante le aperture naturali e
praticamente mai direttamente
• Le ferite utilizzate dai batteri possono essere “fresche” o vecchie e
consistono di tessuti lacerati o morti
• Questi patogeni possono crescere prima su questi tessuti, produrre
tossine e poi avanzare all’interno dei tessuti sani
• La lacerazione o la morte dei tessuti può essere il prodotto di uno
stress ambientale (vento forte, insetti ed erbivori)
e virus..
• I virus penetrano grazie a vettori,
generalmente insetti oppure grazie alle
pratiche colturali operate dall’uomo
• Alcuni virus sono trasmessi anche dai
nematodi, afidi o funghi
• Questo tipo di patogeno può causare malattie
solo se trasportato da vettori
L’infezione
• È il processo attraverso cui i
patogeni stabiliscono
contatto con le cellule
suscettibili dell’ospite e si
procurano nutrienti da queste
• Durante l’infezione i patogeni
crescono e si moltiplicano
dentro i tessuti vegetali e
invadono la pianta in diverso
grado
• Una infezione riuscita
provoca nella pianta infettata
aree necrotiche, malformate
e scolorite, cioè provoca i
sintomi della malattia
• Non sempre le infezioni sono
così evidenti, a volte (casi di
batteri e virus) le infezioni
sono latenti e non producono
sintomi
L’invasione in funghi e batteri
•
•
•
•
•
I vari patogeni invadono gli ospiti
in differenti modi e quantita’
Alcuni funghi, come quelli che
causano la scabbia delle mele o il
black spot nelle rose hanno una
crescita subcuticulare (A)
..altri (powdery mildews)
producono micelio soltanto sulla
superficie fogliare ma mandano
austori nelle cellule epidermiche
(B)
La maggior parte dei funghi
diffondono in tutti in tessuti sia
crescendo intercellularmente – C
– o intraccelulamente (D)
I funghi che causano
appassimento vascolare invadono
i vasi xilematici (E) cosi come i
batteri
…e nei virus e nematodi
• La maggior parte dei nematodi invade in tessuti
intercellularmente ma alcuni le possono anche
invadere intracellularmente
• Molti nematodi non invadono le cellule o I tessuti ma
si alimentano “bucando” le cellule epidermiche con i
loro stiletti
• I virus, i viroidi e i protozoi invadono i tessuti
muovendosi da cellula a cellula
• I virus e i viroidi invadono tutti i tipi di cellule
vegetali, i protozoi i tubi flolematici e alcune cellule
adiacenti
• Le infezioni causate da questi patogeni sono
sistemiche, cioe’ il patogeno partendo da un punto
iniziale d’infezione diffonde e invade la maggior parte
delle cellule della pianta
La colonizzazione
•
•
•
La maggior parte dei funghi
patogeni e degli oomiceti
producono spore sulla, o poco
sotto, la superficie dell’area
infettata e sono rilasciate
nell’ambiente
I plasmosiophoromycetes e i
tracheomiceti producono le
spore all’interno dei tessuti
dell’ospite e queste sono
rilasciate al di fuori dei tessuti
solo quando l’ospite muore o I
tessuti degenerano
I batteri si riproducono
all’interno dei tessuti vegetali
•
•
•
•
•
•
•
Riproduzione
Il tasso di riproduzione varia
considerevolmente tra i vari tipi di
patogeno
Alcuni funghi producono spore piu’ o
meno continuativamente mentre altri
le producono in differenti piante
In entrambi i casi diverse centinaia
di migliaia di spore sono prodotte
per ogni cm2 di tessuto infetto
Spesso il numero di spore prodotto
in una pianta malata supera il
trilione!
Mentre i batteri si riproducono ogni
20-30 min, quindi milioni di batteri
possono essere presenti in una
singola goccia del succo cellulare di
una pianta infetta.
Il numero di virus presente in una
singola cellula puo’ variare da 100000
a 10000000.
Le femmine di nematodi sono capaci
di depositare tra le 300 e le 500
uova per ciclo riproduttivo.
•
•
Aria
–
–
–
la maggior parte degli oomiceti, dei funghi e dei semi delle piante parassite I
Le spore di molti funghi sono troppo delicate per sopravvivere nell’aria per piu’ di pochi
mentre altre, in particolare quelle delle ruggini, sono molto resistenti
I batteri possono essere presenti all’interno sottili striscie di essudati batterici secchi
Acqua
–
–
–
•
La disseminazione
I batteri, i nematodi e le spore e i frammenti miceliari presenti nel suolo sono dispersi
dall’acqua piovana o d’irrigazione
Tutti i batteri e le spore di molti funghi sono essudati in liquidi “appiccicosi” che
vengono poi sparsi dall’acqua piovana o d’irrigazione
Le gocce di pioggia o derivanti da irrigazione fanno precipitare le spore fungine e i
batteri presenti nell’aria sulle piante
Insetti
–
Gli insetti in particolare, gli afidi, le cavallette e le mosche bianche sono tra I piu’
importanti mezzi di disseminazione di virus, plasmodi e protozoi
•
•
•
•
•
La dormienza
I patogeni che infettano le piante perenni possono sopravvivere
all’interno dei tessuti dei (come i cancri) loro ospiti durante l’inverno o
nei periodi di siccita’
I patogeni che infettano piante decidue “svernano” come micelio o come
spore all’interno delle foglie cadute
I patogeni che infettano le piante annuali usualmente sopravvivono
all’interno di residui vegetali morti o come sclerozi nel terreno
Alcuni oomiceti (Pythium) e funghi (Fusarium, Rhizoctonia) sono abitanti
del suolo e sono capaci di sopravvivere come saprofiti
Altri funghi sono transienti del suolo cioe’ sono parassiti piuttosto
specializzati che vivono in contatto con il loro ospite e per brevi periodi
nel suolo come forme specializzate di resistenza
La dormienza
• I batteri “svernano” in
modo simile a quello dei
funghi, all’interno delle
piante infette, nei semi,
nei tuberi e per alcuni
nel suolo
• I virus e i viroidi e i
protozoi sopravvivono
solo all’interno dei
tessuti viventi della
pianta
• I nematodi invece usano
le uova per resistere alla
stagione sfavorevole
•
•
La dormienza puo’ essere
– Costituzionale
– Esogena
Costituzionale
– E’ dovuta a fattori intrinseci della spora, come
• Spessore dell’episporio (Pythium)
• Necessita’ di stimoli esterni (estremi termici o sostanze
chimiche)
• Compartimentalizzazione di enzimi (es. Trealasi di N.
tetrasperma)
• Presenza di autoinibitori
– Esempi di autoinibitori
• 5, isobutiroxy beta ionone e’ l’autoinibitore dei conidi della
Peronospora tabacina (agente della muffa blu del tabacco)
• Metil-cis ferulato e’ l’autoinibitore presente nelle uredospore di
Puccinia graminis
• Il metil-cis-3,4-dimetossicinnamato e’ l’autoinibitore presente
nelle uredospore di Uromyces phaseoli (agente della ruggine del
fagiolo) – inibisce l’attivita’ degli enzimi idrolitici specifici del
tappo di natura mannoproteica che chiude i pori germinativi
– Meccanismo d’azione degli autonibitori
• Creazione di blocchi metabolici per l’inibizione di specifiche
reazioni enzimatiche
• Dormienza esogena, e’ dovuta a fattori esterni alla spora ed e’
dovuta sostanzialmente a due componenti
– Origine biologica
– Origine abiotica
• La componente biologica presenta le seguenti caratteristiche
– Viene annulata rapidamente con la sterilizzazione del terreno
con mezzi fisici o chimici ma viene ripristinata reinoculando il
terreno sterilizzato con altro terreno non sterile
– Viene neutralizzata aggiungendo al terreno delle sostanze
organiche nutritive (zuccheri, peptoni) simili a quelle presenti
negli essudato radicali
– Le diverse specie di funghi differiscono nella sensibilita’ alla
fungistasi
• La componente di natura abiotica
– Non viene eliminata completamente con la sterilizzazione
– E’ dovuta a sostanze volatili tra cui etilene, metano,
acetldeide o alla presenza di metalli tossici
• Monociclici
I cicli di infezione
– I funghi producono spore
alla fine della stagione e
queste servono come
inoculo primario (il solo
disponibile) per l’anno
successivo
• Policiclici
– Il patogeno ha piu’ di una
generazione per stagione
di crescita e puo’
completare piu’ di ciclo di
malattia per anno
• Polietici
– In questo caso il patogeno
ha bisogno di piu’ di un
anno per svolgere un
completo ciclo di
infezione