Resistenza delle piante
agli insetti
Circa la metà di tutti gli insetti esistenti (un milione
di specie descritte) sono erbivori, perciò si
alimentano su piante vive
– L’abilità delle piante a persistere in tale ambiente
ostile conta su evoluti sistemi di resistenza che
permette loro di scappare dagli erbivori nel tempo e
nello spazio
• Affrontandoli direttamente influendo
– Sulla preferenza delle piante ospiti
– Sul successo riproduttivo
• Combattendoli indirettamente
– Per associazioni con altre specie
– La difesa delle piante contro gli erbivori possono
cambiare
• Nel tempo evolutivo
• Durante la vita di una pianta
Caratterizzazione dei tratti difensivi delle piante
Tipo di caratteristica
difensiva
Modo di espressione
Modo di azione
Fisica
Costitutiva
Difesa diretta
Morfologia e struttura della
pianta
Biochimica
(Antixenosi,antibiosi,
tolleranza)
Indotta
Proteine e metaboliti tossici
e antinutritivi
Ecologica
Coinvolgendo altre specie
Indotta
Difesa indiretta
(Interazione tritrofica)
Introduzione e storia della
resistenza delle piante ospiti
La costituzione di piante resistenti all’insetto
dannoso è una tecnica di protezione delle piante
in uso da diversi anni
Da alcune testimonianze scritte si trae indicazioni
che nei primi sistemi agricoli di Africa, Asia e
America i coltivatori utilizzassero piante
resistenti agli insetti, selezionandone forme
resistenti
Tra il diciottesimo e l’inizio del ventesimo secolo
furono sviluppate e coltivate piante resistenti
Nel 1792 Haven riporta che
la varietà di grano
“underhill” è resistente al
dittero cecidomide
Mayetiola destructor
Nel 1831 Lindel
raccomanda le varietà di
melo “winter majetin” e
“Siberian bitter-sweet”
perché resistenti
all’Eriosoma lanigerum
L’uso di varietà di viti
americane resistenti a
Phylloxera vitifoliae
impedirono la disfatta
della viticoltura in Francia
alla fine del 1800 dove
l’insetto era stato
importato dagli USA
•
Nel 1951 Painter pubblica il primo libro sull’argomento dal titolo “Plant resistance
to insect pests”
•
Nel 1978 Russel pubblica il volume “Plant breeding for pest and disease
resistance”
•
Nel 1979 Panda da alle stampe il volume “Principles of host-plant resistance to
insects”
•
Nel 1980 Maxwell e Jenning pubblicano il libro “Breeding plants resistant to
insects”
•
Nel 1989 Smith pubblica il libro “Plant resistance to insects. A fundamental
approach”
•
Nel 1994 Smith, Khan e Pthak pubblicano il libro “Techniques for evaluating
insect resistance in crop plants”
•
Nel 1999 Agrawal, Tuzun e Bent pubblicano il libro “Induced plant defenses
againt pathogens and herbivores”
•
Nel 2008 Schaller (ed.) pubblica il libro “Induced plant resistance to herbivory”
• Negli USA durante il 19° e l’inizio del 20° secolo
furono segnalate più di 100 piante resistenti agli
insetti
• Durante la “green revolution” (di cui, a quanto si
dice, Norman Borlaug ne fu padre) uno dei
successi spettacolari nell’uso della resistenza
delle piante agli insetti è accaduto nell’Asia
tropicale durante gli anni ’60 del secolo scorso
– Quando furono introdotte cultivar di riso altamente
produttive resistenti agli insetti che sopperirono alle
necessità alimentari di quelle popolazioni
• Le piante resistenti agli insetti non sono
accettate dagli agricoltori
– Quindi non sono state sviluppate
rapidamente come succede per le
cultivar resistenti alle malattie
– Solo il 30% delle 300 cultivar registrate
negli USA nel 1965 sono resistenti agli
insetti contro il 65% resistente alle
malattie
Perché cultivar resistenti agli insetti
non sono entrate in programmi di
gestione di insetti dannosi?
•
•
•
•
Per la relativa facilità con cui in passato le popolazione di insetti erano
controllate con gli insetticidi
Per la difficoltà di produrre piante resistenti agli insetti legata
– All’ottenimento di insetti che si comportino in cattività come quelli
selvatici
– Al costo di tale operazione
– Alla quantità di tempo necessario per ottenere un qualche risultato
Per il fatto che le cultivar resistenti sono per più della metà ottenute per il
mais, la soia e il riso, per la loro alta resa per unità di superficie rispetto
a ortaggi e fruttiferi e per fattori sociali
Per il fatto che per gli ortaggi e i fruttiferi devono essere rispettati i fattori
estetici
– Questo perché spesso sono mangiati o preparati direttamente dal
consumatore senza che prima abbiano subito un processo
industriale
• Questo portebbe il consumatore ad accettare più facilmente un una
cultivar di mela che può ospitare meno insetti che una cultivar
suscettibile per il fatto che il consumatore preferisce, comunque, sempre
un prodotto integro
•
Per il fatto che le ricerche di fruttiferi e ortaggi resistenti agli insetti
vengono destinati meno risorse economiche in confronto a quanto viene
dato per le stesse ricerche su granaglie
Le ragioni dei vantaggi
della selezione
di piante resistenti agli insetti
•
•
Di avere il controllo dell’insetto incorporato geneticamente nel costo
del seme
Di ridurre l’uso degli insetticidi, e così il costo della difesa
– E’ stato dimostrato che Contarinia sorghicola che si sviluppa su piante di
sorgo resistente è più sensibile agli insetticidi
– Il carattere “digitato” della foglia e il carattere “frego bract” sono
correntemente in uso per migliorare la penetrazione degli insetticidi nella
chioma delle piante di cotone
•
Di ridurre i residui degli insetticidi nei vegetali
•
Di sinergizzare gli effetti degli agenti biologici di controllo degli
insetti dannosi
– Diminuendo il vigore e la fisiologia dell’insetto
– Migliorando l’efficienza di ricerca dell’ospite da parte di predatori
e parassiti
– Migliorando l’efficienza dei patogeni degli insetti
• Di limitare la diffusione di malattie delle piante da parte di insetti
vettori
– Nel caso in cui il virus è resistente e la pianta resiste al vettore
• La pianta normalmente causa una riduzione della diffusione
del virus per un rallentamento nella crescita della sua
popolazione
• Di essere cumulabili nel tempo
– Infatti più a lungo è impiegata una resistenza efficace maggiori
sono i benefici
• Panda ha dimostrato che l’uso di cultivar resistenti agli insetti
ha ridotto le loro popolazioni da 1.5 a 152 volte
• Le coltivazioni con piante di riso resistenti agli insetti hanno
ridotto a circa la metà (14%) le perdite rispetto alle cultivar
non resistenti (26%)
Le ragioni degli svantaggi
della selezione
di piante resistenti agli insetti
• La incompatibilità di cultivar resistenti agli insetti con gli agenti del
controllo biologico
– In alcune cultivar i tricomi hanno effetti negativi sulla biologia di
insetti parassiti e/o predatori
• Come succede in alcune cultivar di soia su cui è ridotta l’attività
di imenotteri parassitoidi a carico di coleotteri e lepidotteri
dannosi
• Il tempo richiesto per la strutturazione di una cultivar resistente
• Da 3 a 5 anni quando si tratta di limitare una specie di insetto
• Più di 10 anni quando si tratta di limitare più specie di insetti
• Il costo da parte dei vivaisti per lo sviluppo di cultivar con una differente
resistenza agli insetti per regioni geografiche diverse
• La difficoltà di incorporazione in cultivar caratteri di resistenza da piante
selvatiche tassonomiche molto distanti dalla specie in miglioramento
– Non è inusuale che queste piante possano avere
• Poca produzione
• Pochi caratteri tipici
• Suscettibilità alle malattie
• La “contro resistenza” di biotipi del fitofago verso cultivar resistenti che
contano sull’effetto di un singolo gene (il gene migliore)
La resistenza delle piante ospiti
di erbivori cosa esprime?
• Una qualità (caratteri) geneticamente
ereditabile
– Che si manifesta in individui di una cultivar o di
una specie pianta
• Che risultano meno danneggiata in confronto agli
individui suscettibili
• Un valore comparativo ottenuto dal
confronto con piante suscettibili in quel
ambiente
– Perché la resistenza è influenzata dalle
fluttuazioni ambientali
La resistenza delle piante contro gli
erbivori può alterare i processi
dell’ecosistema
Composti difensivi indotti basati sul
carbonio
Folia non infestata
Lettiera normale
C:N = 15
= Composto difensivo
basato su carbonio
Folia infestata da erbivoro
Lettiera più recacitrante
C:N = 20
Rapporti tra pianta e insetto
Parassitoid
i
Predatori
Componenti
volatili
Composti volatili da
una pianta attaccata
Pianta
Attivazione gene
Risposte indirette
Segnale
Ferita
Elicitori da insetti
Metaboliti secondari
e proteine
Architettura della
pianta
Barriera nutrizionale
Metabolismo
secondario
Inibitori
Composti volatili
Attività
aumentata
A
T
T
I
V
A
Z
I
O
N
E
S
E
G
N
A
L
E
G
E
N
E
Alta specificità
Bifunzionalità
Alta complessità
•L’evitare
•Nuovi metaboliti
•Evitamento spazio/temporale
•Detossificazione
•Sequestrazione dei veleni
Risposte dirette
Barriere fisiche
Forma della foglia
Insetto
Erbivori
•Utilizzazione di ospiti alternativi
•Aumento del tasso di consumo
•Modificazione della qualità nutritiva
del tessuto della pianta ospite
•Istituzione di associazioni con
microorganismi
Migliorati gli enzimi digestivi
•Alta attività
•Modificazione dello spettro
•Bassa sensibilità agli inibitori
delle proteine
Proteinasi distrutive degli inibitori
delle proteine
Le piante chiacchierano,
ma sono sorde?
Le piante in genere sono coinvolte nel
chiacchiericcio e rispondono al segnale
proveniente dalle loro vicine
danneggiate!
Or listening
trees?
Piante che
parlano o che
ascoltano
Le piante “parlano”
– L’emissione di composti chimici che danno informazioni sul loro
stato di aggressione è considerata come l’abilità delle piante a
parlare
Le piante “ascoltano”
– Le piante ascoltano i messaggi provenienti dalle loro vicine che
arrivano con informazioni trasmesse
• Sopra terra
– Le più conosciute
» Sono rappresentate da sostanze chimiche volatili
• Sotto terra
– Le meno conosciute
» Piante di fagiolo esposte alla rizzosfera di piante
conspecifiche danneggiate sono state più attrattive
verso i nemici degli erbivori
Le piante che “ascoltano” “rispondono” inducendo
– Una difesa diretta che le rende resistenti all’attacco
successivo dell’erbivoro
• La parziale defogliazione di alberi di ontano ha
indotto resistenza sia negli alberi defogliati che nei
conspecifici vicini
– Gli effetti decrescono con la distanza e con il
tempo dopo la defogliazione
• Piante selvatiche di tabacco che crescono vicine a
piante di Artemisia tridentata danneggiate hanno un
più alto livello dell’enzima difensivo polifenolossidasi
rispetto a quelle che sono vicine a A. tridentata non
danneggiate
– Una difesa indiretta che coinvolge il reclutamento di
artropodi carnivori
Le piante rispondono all’erbivoro con
emissioni di segnali chimici sopra e
sotto terra che possono evocare
risposte in
1) Carnivoro nemico dell’erbivoro
2) Erbivoro
3) Piante vicine
La linea tratteggiata rossa
rappresenta l’attacco dell’erbivoro
sulla pianta
Le linee blu rappresentano le
emissioni dei segnali chimici che
influenzano gli altri organismi, il loro
spessore indica le conoscenze delle
interazioni
Proposizioni mendeliane di una
popolazione mista:
l’equilibrio di Hardy e Weinberg
e
l’evoluzione
•
Se due alleli A e a sono rispettivamente presenti nei gameti della popolazione
nelle proporzioni p e q e se gli individui si accoppiano in modo casuale la loro
prole sarà
– Monozigote dominante in proporzione p²
– Monozigote recessiva in proporzione q²
– Eterozigote in proporzioni 2pq
•
Nei gameti della prole
– L’allele A sarà presente nella proporzione di p² + pq = p (p+q)
– L’allele a sarà presente nella proporzione di q² + pq = q (p+q)
– Poichè p+q =1 le due percentuali sono le stesse di quelle di partenza e cioè p e q
•
•
Quindi le percentuali dei due alleli (A e a) nei gameti rimangono costanti di
generazione in generazione
Le condizioni che portano all’equilibrio di Hardy e Weinberg sono
– Tre di natura statistica:
• Accoppiamenti equiprobabili,
• Accoppiamenti casuali
• Popolazioni sufficientemente grandi
– Due di natura fisica:
• Il sistema deve essere stabile
• Il sistema deve essere chiuso
• L’evoluzione avviene quando non si verificano
almeno alcune delle condizioni che portano
all’equilibrio di Hardy e Weinberg come
– Accoppiamenti equimprobabili tipici della “selezione naturale”
– Accoppiamenti non casuali tipici della “selezione artificiale”
– Popolazioni non sufficientemente grandi che possono portare
alla “deriva genetica” di cui si distingue
• Il “collo di bottiglia” conseguente ai pochi sopravissuti a
cataclismi
• L’”effetto fondatore” conseguente ai pochi soggetti
distaccatisi dal gruppo
• L’instabilità del sistema può essere provocato da
– Mutazione endogene (copiatura dei singoli alleli)
– Mutazione esogene (danneggiamento dei singoli alleli)
– Entrata (immigrazione) o uscita (emigrazione) di flussi genici nel
sistema (popolazione)
Teorie sulla strutturazione dei
rapporti tra piante ed erbivori
• La teoria della coevoluzione di
Ehrlich e Raven (1964)
• Descrive un particolare tipo di interazione
evolutiva tra piante ed erbivori ed è
caratterizzata da un coordinamento nella
evoluzione dei pool genetici delle specie
interagenti, dovute a reciproche interazioni
selettive
La Coevoluzione può essere
– Mutualistica
• Quando il tipo di interazioni sono positive
per tutte le specie coinvolte
– Antagonista
• Competitiva
• Trofica (“arms race”)
– Coevoluzione Preda-Predatore
– Coevoluzione Pianta-Erbivoro
Nella Coevoluzione “arms rare”
Il primo passo è l’evoluzione di alcuni tipi di resistenza
dell’ospite
– I geni che conferiscono resistenza dell’ospite sono
favoriti dalla selezione perché riducono il tasso di attacco
e aumentano il benessere
Il secondo passo è l’evoluzione della controresistenza del
nemico naturale
– I geni che riducono l’effetto dannoso della resistenza
dell’ospite e incrementano il benessere del nemico sono
favoriti dalla selezione naturale
– Il completamento di questo secondo passo dispone
ancora una volta l’evoluzione della resistenza nell’ospite
che sarà seguita dalla controresistenza del nemico
•L’adattamento locale tra pianta e insetto
– il tempo necessario per una generazione del nemico naturale è molto più
corto che quello della pianta ospite e quindi devono esibire un adattamento
locale ai loro ospiti
• Questo può essere rilevato per mezzo del trapianto di nemici naturali tra
popolazioni e ad ogni sito la suscettibilità all’attacco di nemici naturali è
misurato
– La adattabilità locale del nemico è indicata dalla più grande
suscettibilità dei nemici indigeni rispetto ai trapiantati
•Esistono due tipi basilari di interazione molecolare che dicono
se l’insetto riesce a ridurre il benessere dell’ospite
– Primo tipo coinvolge il concetto di “arms race”
• Il genotipo degli ospiti producono sostanze tossiche e inibitori di crescita
• Il genotipo dell’insetto controresistente producono sostanze che
riducono o eliminano gli effetti della tossina
– Secondo tipo coinvolge il sistema informativo di scambio
• Nella interazioni pianta insetto una risposta di difesa indotta è
aumentata dal riconoscimento da parte della pianta della presenza del
nemico per mezzo di recettori cellulari che riconoscono le sostanze
prodotte dal nemico (elicitori)
• In questa situazione la coevoluzione procede per mezzo di successive
modificazioni di recettori e elicitori e perciò si può dire coevoluzione
delle informazioni
Esistono differenti tipi di coevoluzione che sono
diversificate nel tipo di correlazione genetica
tra resistenze
– Questo permette di inferire circa i fatti comuni di
questi processi
• Esaminando le strutture genetiche correlative
alla resistenza a differenti erbivori
– In una varietà di popolazioni naturali di
piante
Coevoluzione non reciproca
Si tratta di una serie di eventi
evolutivi
Una popolazione di una pianta viene mangiata da un
insieme di specie di erbivori che ne deprimono il
benessere
– La pianta è considerata geneticamente variabile
per un carattere che riduce molti se non tutti gli
erbivori
– La selezione impostata dagli erbivori conduce la
pianta alla elaborazione evolutiva del
carattere
– Che riduce fortemente il numero degli
erbivori
– Che può anche eliminare localmente
popolazioni di erbivori specialisti
La pianta resistente liberata dalla necessità di un
maggiore assorbimento dal suo budget di risorse
diventa
Più competitiva
Più abile a colonizzare nuovi habitat
La pianta resistente entrata nei nuovi habitat
Può essere occasionalmente accompagnata da un ridotto flusso
genetico tra nuovo e vecchio habitat fatto che permette una
speciazione
Quando la discendenza della popolazione della pianta diverge
per differenti pressioni ambientali
Le ripetute speciazioni di questo tipo producono una
“radiazione adattativa” che si concretizza
In una nuova specie di pianta con nuove caratteristiche di
resistenza
Questa nuova specie di pianta costituisce una “nicchia aperta” per
un erbivoro che può farsi strada attraverso la barriera di resistenza
caratteristica di questa nuova specie
Insetti che mangiano su altre piante
– Possono, occasionalmente, mettere insieme i
requisiti genetici necessari alla controresistenza
– Questo genotipo “scappa” in una nuova zona
adattativa relativamente libera di competitori e
nemici
• Questo mette la popolazione dell’erbivoro in
condizione di incorporare nella propria dieta nuove
specie di piante
– La diffusione dell’erbivoro entro nuove regioni
dove ci sono le stesse piante con lo stesso tipo di
resistenza può condurre a speciazioni e a
radiazione adattativa dell’insetto
Questo tipo evolutivo di colonizzazione della
specie ospite da varietà di erbivori può essere
ripetuta nel tempo e allora può succedere che
• Il numero di erbivori associati con la specie di
pianta aumenti
• La quantità cumulativa di erbivori con la
specie di pianta aumenti
– Il carattere originale della resistenza
• Diventa sempre meno efficace
Il ciclo di Coevoluzione riprenderà
quando
– Una pianta della specie ospite differenzierà
un nuovo carattere di resistenza.
– Ci sarà un nuovo gruppo di erbivori
La Coevoluzione non reciproca si manifesta
quando
– I cambiamenti evolutivi successi nelle
piante dovuti ad erbivori impongono una
selezione
• Su una serie di erbivori diversi da quelli che
hanno determinato questi cambiamenti
La selezione imposta da erbivori ha luogo
– Perché una nuova caratteristica conferisca
protezione all’attacco di una serie di differenti
erbivori
– Perché la stessa caratteristica conferisca
resistenza verso una varietà di erbivori
• I genotipi della pianta che sono resistenti a
un erbivoro dovrebbero essere resistenti ad
altri erbivori
– La resistenza a differenti erbivori ci si
aspetta che manifesti una correlazione
genetica positiva
Le operazioni di Coevoluzione non reciproca
partono
– Primariamente da una associazione tra particolari
specie di insetto e una particolare specie di pianta su
cui l’insetto mangia
• Specie della tribù Triodini (lepidotteri) mangiano su
piante del genere Aristolochiaceae
– Secondariamente da una associazione tra specie di
erbivori collegati con specie di piante non collegate
• Specie della subfamiglia Pierinae mangiano su
piante della famiglia delle Crucifere
• Specie della subfamiglia Coliadinae si nutrono
principalmente di Leguminose
Coevoluzione reciproca
Non coinvolge la speciazione
• E’ legata a una competizione
evolutiva tra due (o ad alcune)
popolazioni interagenti
– Perché differenti copie (o gruppi) di
piante ed erbivori interagenti
• Possono coevolvere in differenti
direzioni
Le operazioni di coevoluzione reciproca
• Tendono a causare divergenze tra i composti
chimici e altri caratteri di resistenza delle piante
ospiti
• Verso le relative specie erbivore collegate
• Tendono a disgregare il modello di alimentazione
delle specie di erbivori collegate su specie di
piante chimicamente simili
• Al contrario di quanto succede nel modello
generato da una Coevoluzione non reciproca
• Una evidenza diretta delle operazioni
della Coevoluzione reciproca
– E’ molto difficile da ottenere perché si esplica
in molte generazioni
– Una importante evidenziazione del fenomeno
è data dall’ analisi dettagliate dei reciproci
adattamenti che appaiono in associazioni tra
piante ed erbivori
Esempi di Coevoluzione reciproca
Ombrellifere/ Papilio polyxenes
Passiflora/ Heliconiine
Aristolochia reticulata/ Battus philenor
Ombrellifere/ Papilio polyxenes
– Le furanocumarine prodotte da molte Ombrellifere
• Sono tossiche per molti erbivori
• Si presume abbiano selezionato meccanismi di detossificazione in alcuni
erbivori come Papilio polyxenes
• Si presume abbiano causato l’estinzione di altri erbivori che mancavano
di variabilità genetica in rapporto a tale selezione
– Gli erbivori tolleranti alle furanocumarine lineari
• Sono considerati quelli che hanno selezionato la produzione delle
furanocumarine angolari in specie di Ombrellifere
– Questi erbivori si sono estinti o si sono evoluti successivamente per
evitare le Ombrellifere contenenti furanocumarine angolari verso le
quali non possono evolvere processi di detossificazione
• Da ciò si può dedurre dell’esistenza di due linee di Coevoluzione
– Questo solamente perché tra i differenti tempi di evoluzione delle
furanocumarine lineari e angolari
» Le specie di piante si sono divise in due linee indipendenti di
evoluzione e la specie erbivora tollerante verso una delle due
furanocumarine è rimasta associata con questa
• La specie erbivora tollerante verso furanocumarine lineari è presente a
tutt’oggi e sta a dimostrare
– La tossicità delle furanocumarine angolari verso gli erbivori tolleranti
le furanocumarine lineari
• Passiflora/ Heliconiine (Lepidotteri)
– I Lepidotteri appartenenti alla famiglia Heliconiine
hanno evoluto l’abilità apparente
• Di tollerare i glucosidi cianogenetici presenti nella
Passiflora loro pianta ospite
– Le specie di Passiflora a loro volta hanno evoluto
– Tricomi uncinati che uccidono le larve
– Stipole che imitando le uova dissuadono l’ovideposizione
• Sembra ragionevole concludere che queste strutture si
sono evolute in risposta alla selezione dovuta alle
farfalle erbivore
• Aristolochia reticulata/ Battus philenor (Papilionidae
Triodini)
• Le farfalle del genere Battus hanno evoluto meccanismi di
detossificazione
– Dell’acido aristolochio nelle loro piante ospiti, estremamente tossico
per altri insetti
• Nel Texas orientale Aristolochia reticulana ha evoluto una
resistenza nelle foglie mature povere di nutrienti
– Che riduce il danno dovuto alle larve di B. philenor
– Il fatto che B. philenor fu un agente selettivo primario per
questa linea A. reticulana è suggerito
• Dal forte impatto dannoso di questo erbivoro sulla sopravvivenza
e riproduzione della pianta, nonostante le foglie mature pongano
resistenza ad essere mangiate
Esistono tre problemi con
interpretazioni di questo tipo
Problema 1
In nessuno di questi esempi si ha un’appropriata
analisi filogenetica su insetti e piante per
determinare se
Le filogenesi dei due soggetti esibiscono una
cladogenesi (evoluzione associata con altre
abitudini o habitat, di solito in popolazioni di
specie isolate) parallela
Fenomeno che dimostra se una Coevoluzione
reciproca è avvenuta
Problema 2
Se una dettagliata filogenesi di una specie di insetto e delle piante ospiti appaino essere
perfettamente unite
– Non si può inferire necessariamente che l’unione fu prodotta da coevoluzione
reciproca: l’evoluzione delle furanocoumarine
• Inizialmente le specie erbivore 1 e 2 sono associate all’Ombrellifera A che
succesivamente si divide in due A’ e A’’
– La specie erbivora 2 rimane associata con ciascuna Ombrellifera fino a
quando si estingue per motivi ambientali sulla linea A’
• Successivamente l’erbivoro 1 che ha selezionato una pianta per la produzione
di furanocoumarine lineari nella linea A’
– E’ incapace di adattarvisi e si estingue
– Ancora più tardi l’ospite A’’ si estinguerà per ragioni ecologiche
• L’erbivoro 2 è lasciato senza pianta ospite
– Ma è abile a persistere colonizzando la linea B ed evolvendo la tolleranza
verso le furanocumarine lineari
• L’erbivoro 2 è adesso preadattato a colonizzare la linea dell’ospite B’ e in breve
tempo lo fa
– Da allora in poi l’insetto esercita una sufficiente pressione selettiva sulla
linea B’ che conduce questo ospite ad evolvere furanocoumarine angolari
alla quale l’insetto non si adatta
» L’insetto così si estingue sulla linea B’, ma persiste sulla linea B
– Sotto questo scenario non c’è Coevoluzione reciproca
• L’erbivoro 1 impone selezione sulla Ombrellifera A’, ma non viceversa
• L’Ombrellifera B impone selezione sull’erbivoro 2, ma non viceversa
• L’erbivoro 2 impone selezione sulla Ombrellifera B’, ma non viceversa
Problema 3
• Inferendo sulle operazioni di Coevoluzione reciproca tra
partner, come quelli descritti
– Non si evidenza, normalmente, che gli erbivori abbiano
imposto una significativa selezione sulle loro piante
ospiti
– La mancanza di tale evidenza preclude, ammettendone
la possibilità, che le pretese difese chimiche evolvano
per altre ragioni oltre che per proteggere le piante dagli
erbivori
• Questi modelli sono considerati
completamente in armonia con le
operazioni della Evoluzione
sequenziale (sensu Jermy 1976) invece
che con qualche tipo di Coevoluzione
Coevoluzione reciproca
specifica
E’ supportata
– Dalla variabilità genetica di piante resistenti a
particolari erbivori
– Dalla abilità di particolari erbivori a contrattaccare
• In questa casistica ricade
– La conquista di un nuovo ambiente da parte di
Pastinaca selvatica, introdotta nel Nord
America, come indica
• Il fenotipo chimico, ben assortito, tra P.
selvatica e Depressaria pastinacella
• Almeno una interazione furanocumarinica
caratteristica
subfamiglia Pierinae
Heliconiine
subfamiglia Coliadinae
Battus philenor
Papilio polyxenes
Depressaria pastinacella
Coevoluzione diffusa
• La Coevoluzione diffusa si esprime in continui,
piccoli e fluttuanti aggiustamenti nelle caratteristiche
di resistenza delle piante
– Quindi il cambio evolutivo maggiore è una
costante variazione non a lungo termine
• Nella Coevoluzione diffusa
– I fattori di resistenza che vengono favoriti dalla selezione
genetica da erbivoro sono
• Le difese generalizzate
– Queste proteggono la pianta dalla maggior parte degli erbivori
nemici
– Ed è detta anche resistenza orrizzontale
• La Coevoluzione diffusa
– E’ dovuta a estese e forti correlazioni negative
– Non è dovuta alla “corsa agli armamenti” (armes race)
che è in continua crescita ed è spesso associata con la
Coevoluzione reciproca
• La Coevoluzione diffusa
– Non è necessariamente quanto deve succedere ad
una pianta attaccata da molti erbivori
• Perché è possibile, sotto alcune circostanze, che si
abbia una Coevoluzione reciproca tra la pianta e
ciascuno degli erbivori
– Infatti se la resistenza ai differenti erbivori
confrontate a coppie non sono correlate
geneticamente
» Allora la risposta evolutiva della pianta alla
selezione imposta da ciascun erbivoro può
avvenire indipendentemente dalla selezione
imposta dagli altri erbivori
La Coevoluzione diffusa è un processo che
avviene quando
– Una popolazione di piante ospita molti e differenti
erbivori suoi nemici
– In tale situazione la pressione selettiva esercitata
da ogni particolare erbivoro sono relativamente
deboli
– Differenti erbivori sono supposti esercitare
frequentemente pressioni selettive conflittuali su
linee resistenti
• Preservando la pianta dal subire una estensiva
Coevoluzione reciproca con ciascuno degli erbivori in
essa associati
Evidenza empirica sui tre tipi
di Coevoluzione
• La mancanza di correlazione tra la resistenza a
differenti insetti
– E’ necessaria a un fenomeno di Coevoluzione reciproca
• Estese e forti correlazioni negative conducono
– Alla Coevoluzione diffusa
• Una estensiva correlazione positiva indica che
– Un singolo carattere resistente (o un gruppo di linee
controllate dallo stesso gene) è efficace contro la maggior
parte degli erbivori come ci si aspetta sotto una
Coevoluzione non reciproca
Esiste una mancanza di correlazione tra
resistenze
• La resistenza a particolari insetti su determinate
specie di piante
– E’ libera di evolvere indipendentemente dalla
resistenza verso la maggior parte delle altre
specie di insetti che attaccano queste piante
• Le strutture delle correlazioni genetiche rilevate da
queste indagini suggerisce che
– La Coevoluzione reciproca può essere il modo
dominante delle interazioni evolutive tra piante
e i loro insetti erbivori
Due considerazioni
1. Le correlazioni zero
Non sono attualmente significativamente correlate quindi non è possibile sapere
quanto rappresentino una vera assenza di correlazione genetica tra le resistenze
ai corrispondenti erbivori
2. L’indipendenza dei geni e dei caratteri associati che controllano la resistenza
a differenti erbivori non garantisce che l’evoluzione della resistenza ad un
erbivoro sarà indipendente dalla evoluzione della resistenza ad altri erbivori
• In particolare l’interazione tra erbivori può ridurre o aumentare la
pressione selettiva che potrebbe altrimenti guidare la Coevoluzione
reciproca
– Es. consideriamo due specie erbivore competitrici
» I genotipi che selettivamente eliminano un erbivoro possono non
aumentare il benessere se l’abbondanza dell’altro erbivoro e il
danno che causa aumenta per la mancanza di competizione
» In questa situazione la presenza del secondo erbivoro influenza
la grandezza della pressione selettiva esercitata dal primo
erbivoro sulla variazione genetica della resistenza
» In assenza del secondo erbivoro la Coevoluzione reciproca tra
la pianta e il primo erbivoro può essere possibile
» La presenza del secondo erbivoro può prevenire la
Coevoluzione reciproca
• Al fine di comprendere meglio la natura
della Coevoluzione, per una varietà di
associazioni di piante ed erbivori
– Alcune importanti questioni necessitano di
essere indirizzate
Quale tipo di pressione selettiva gli erbivori impongono
alle piante?
– Esistono pochissime prove che indicano gli erbivori quali
agenti selettivi importanti nella vita delle piante
– Per ora non siamo portati a considerare gli erbivori come
la causa potenziale per la Coevoluzione di ogni specie di
pianta
– E’ importante determinare sotto quali condizioni gli
erbivori impongono selezioni sulle piante che mangiano
– In aggiunta sono necessari studi che rilevino la natura di
quella selezione
• La sua importanza
• Se è direzionale o subdirezionale
• Se è costante o intermittente
• Se varia spazialmente da popolazione a popolazione
Quale pressione selettiva le piante esercitano sugli
erbivori?
• Gli erbivori evolvono in risposta a specifiche caratteristiche
delle loro piante ospiti e viceversa
– Sappiamo che non ci sono ricerche che dimostrano
direttamente tale selezione su una popolazione naturale di
erbivoro
• Una questione cruciale è il fatto che la Coevoluzione reciproca
comune in natura sia legata
– Ad un carattere dell’erbivoro che evolve in risposta al cambiamento
nella qualità della pianta ospite
• Gli erbivori di fronte a una recente evoluzione di una tossina
della pianta hanno tre possibili risposte evolutive
– Possono evolvere un meccanismo di detossificazione che
in effetti aumenta la quantità del fogliame contenente la
tossina
– Possono evolvere un comportamento che li porta ad
evitare le piante che contengono la tossina
– Possono non evolvere nulla e rischiano l’estinzione
• Le tre alternative hanno differenti conseguenze per la
continuazione della Coevoluzione reciproca
– L’evoluzione dell’ ”evitare” e dell’ “estinzione” interrompono la
Coevoluzione reciproca
– L’evoluzione delle capacità di detossificazione permette alla
Coevoluzione reciproca di continuare
• Ci sono stati tentativi per costruire modelli che predicono
• Quando ogni comportamento è evoluto
• Quando il contro adattamento fisiologico evolverà
– Uno dei primi risultati di questi modelli potrebbe essere
• L’identificazione dei parametri cruciali che devono essere
misurati in popolazioni naturali per dare almeno una ragionevole
supposizione sulla evoluzione della contro risposta dell’erbivoro
alla evoluzione nei loro ospiti
– I biologi empirici misureranno questi parametri in un
numero di sistemi apparentemente Coevolventi
determinando
• il numero di cicli di adattamento e contro adattamento attraverso
i quali la Coevoluzione reciproca procede
Come è comunemente diffusa la Coevoluzione?
– Per conoscere come la competizione nella resistenza a differenti
erbivori limita l’evoluzione della resistenza a particolari erbivori
– Bisogna
• Correlare le strutture genetiche delle piante resistenti
a differenti insetti
• Valutare l’attuale risposta evolutiva alla pressione
selettiva esercitata da una grande comunità di erbivori
– Misurando la struttura della correlazione genetica
– Misurando la struttura della correlazione fenotipica
– Misurando la selezione sequenziale per un set di
caratteri di resistenza
• Attraverso questi dati si potrebbe così
– Calcolare l’ampiezza e la direzione aspettata del
cambiamento evolutivo
– Determinare se i caratteri resistenti
» Furono legati ad uno stadio evolutivo invece che
ad una pressione selettiva opposta
Ripetendo questa operazione per un certo
numero di anni sulla stessa popolazione
– Si potrebbe anche ottenere almeno una idea
• Se queste matrici o vettori rimangono
approssimativamente costanti
• Se la Coevoluzione secolare a lungo termine
fu rallentata
– Per variazione temporale nella pressione
selettiva
– Per i parametri genetici della popolazione
La normale variazione genetica attuale nelle
popolazioni è il reale materiale per la Coevoluzione ?
– Gli studi che tentano di misurare la forza Coevolutiva in una
popolazione naturale assume il principio del attualismo (Il
presente costituisce la chiave del passato) validamente applicato
• Questo fatto è rappresentato
– Dalla variazione genetica per la resistenza normalmente presenti
in popolazioni di piante
– Dalla selezione che agisce su queste variazioni, che sono
rappresentative di quelle coinvolte nei maggiori cambiamenti
Coevolutivi
• Una ragione perché questo principio può non essere
applicato è che la Coevoluzione reciproca è aspettata si
fissi
– Su variazioni nuove per una effettiva rapida difesa,
assumendo che le pressioni selettive generate dagli
erbivori siano ragionevolmente intense
– Se tali variazioni si presentano solo raramente
• Allora i tentativi per esaminare la variazione genetica
per la difesa non saranno evidenziati nell’intervallo di
tempo compreso tra
– Il periodo di insorgenza dell’ultimo carattere
difensivo e il periodo di insorgenza del successivo
– In questo intervallo può esistere solamente una
variazione genetica per la resistenza dovuta a
effetti pleiotropici (effetti molteplici) di variazioni di
caratteri che hanno altre importanti funzioni
ecologiche o fisiologiche
– Un quadro distorto delle forze evolutive e costrittive di
quella forma Coevolutiva può risultare
• Misurando la selezione su le dette variazioni
• Determinando se la resistenza costa
• Determinando se la resistenza per differenti erbivori è
correlata
La teoria della evoluzione
sequenziale di Jermy 1976
Le piante come fattore più importante nella
evoluzione degli insetti costituisce la base
della proposta teoria della Evoluzione
sequenziale degli insetti fitofagi
• I cambiamenti nutrizionali nel comportamento
alimentare hanno rappresentato un isolamento
sufficiente per una speciazione simpatrica
• Le Angiosperme con le loro immense diversità
biochimiche servono come base per l’evoluzione di
insetti fitofagi senza un meccanismo di feed-back
evolutivo
– In molti casi senza un apprezzabile effetto
selettivo esercitato dagli insetti sulle piante
• Questo significa che l’evoluzione degli insetti
fitofagi segue l’evoluzione delle piante
La teoria della Evoluzione sequenziale
– Mostra di essere adatta per interpretare la
evoluzione di tutti i rapporti esistenti tra
insetto e pianta ospite eliminando di fatto i
fenomeni che caratterizzano la Coevoluzione
Quale è il vantaggio adattativo che porta a
limitare le specie ospiti per gli insetti fitofagi ?
– La risposta sta nel fatto che la stretta specificità
nel comportamento alimentare molto spesso si
conclude in un alta mortalità causata da un
esaurimento delle risorse alimentari
• Es. La totale defogliazione delle piante ospiti
prima che lo sviluppo larvale sia completato
– Così i monofagi e gli oligofagi riducono la
probabilità della loro sopravvivenza
– Perciò la selezione di insetti polifagi può essere
forte
• La pianta ospite non è semplicemente qualcosa per
nutrirsi
– Essa è qual cosa che continua a vivere ed è la più
sensibile bioindicatrice di un intero complesso di fattori
ecologici essendo efficace in un dato biotopo
• La scelta di una specie di pianta da parte di erbivori
molto spesso significa anche la scelta di una
definita combinazione di fattori biotici e abiotici
• I chemiorecettori degli insetti essendo in armonia
con i profili biochimici di specie di piante dovuti a
sostanze primarie e secondarie rappresentano
– Un sicuro indizio non solamente di una adatta sorgente di
cibo, ma anche di una situazione ecologica specifica alla
quale l’insetto è adattato per tutte le esigenze necessarie
allo sviluppo e alla riproduzione
– Questo può essere un vantaggio della specializzazione
del cibo
Gli insetti fitofagi sono realmente importanti fattori di
selezione determinanti l’evoluzione della pianta ?
• Il ruolo degli insetti fitofagi come fattore di selezione
può essere trascurabile in rapporto
– Ai potenti fattori ambientali
• Come l’interazione tra piante entro le comunità
• Come le malattie che le affliggono regolarmente in un dato
biotopo
• Molte specie di insetti sono rare in comunità
naturali
– Questo perché la densità delle popolazioni di insetti
fitofagi sono spesso estremamente basse in confronto
con le risorse di cibo disponibili
• Quindi è interessata solamente una parte molto
piccola della popolazione della pianta ospite
• La densità delle piante non è in funzione di un
controllo operato dagli insetti fitofagi
– Gruppi di piante che servono come cibo per molte specie
di insetti sono molto abbondanti in comunità naturali
– Gruppi di piante raramente attaccate da insetti fitofagi non
appaiono in grandi biomasse in molte biocenosi
• Se un insetto introdotto controlla con successo una
malerba introdotta non significa che è anche un
fattore effettivo di controllo della densità di
popolazione della specie nel vecchio ambiente
– Il successo nel controllo biologico delle malerbe non
prova che gli insetti siano un potente fattore di controllo
della densità delle piante
– Non funziona da fattore di selezione
Le interazione trofiche pianta-insetto sono sempre
antagoniste per l’aspetto evolutivo?
• Gli insetti fitofagi servono come regolatori specifici
dell’abbondanza della pianta ospite
– In questo caso gli insetti adattati a una data specie di
pianta servono come naturali sfoltitori promuovendo così
il normale sviluppo delle piante rimanenti
• Quindi un mutante resistente della pianta potrebbe essere
un handicap in una ulteriore diffusione in confronto alle
forme sensibili a fitofagi
– In questo caso le relazioni pianta-insetto sono
mutualistiche e non risulta uno sviluppo di resistenza
della specie di pianta contro ad un insetto che è uno
specifico partner
– Questo si applica solamente a specie di insetti che hanno
una alta densità di popolazione in confronto
all’abbondanza delle loro piante ospiti
L’ interazione pianta-insetto è la principale o forse la
singola ragione per l’esistenza delle sostanze
secondarie delle piante ?
– I prodotti secondari delle piante non possono essere unicamente il
risultato delle interazioni pianta insetto
– I prodotti secondari delle piante sono tappe del metabolismo delle piante
poiché sono in continuazione sintetizzati e decomposti
– I prodotti secondari delle piante sono anche importanti portatori di
informazioni nella interazione (Allelopatia) tra pianta e pianta
– I prodotti secondari delle piante sono anche fattori molto importanti della
resistenza contro le malattie
– I prodotti secondari delle piante non hanno la ragione di essere solo
fattori di resistenza contro l’attacco di insetti
– I prodotti secondari delle piante rappresentano, almeno in parte,
solamente differenti possibili vie del metabolismo specifico della specie e
perciò riguardo all’evoluzione possono essere neutrali
– Molti caratteri creati per mutazione non sono distrutti per selezione
• Anche quando sono neutrali per la sopravvivenza
Le serie evolutive parallele provengono da
processi coevolutivi comuni in natura?
– In natura sono rari i casi di specie di piante
strettamente correlate attaccate da specie di
insetti strettamente correlate
• Es. Laspeyresia spp. mangiano su differenti piante
da frutto appartenenti a rosacee
– In natura sono molti i casi in cui specie di insetti
correlate che mangiano su specie di piante
botanicamente molto distanti e viceversa
Questo tipo di relazione non può essere il risultato
della Coevoluzione pianta-insetto come supposto da
Ehrlich e Raven (1964)
La competizione interspecifica tra insetti fitofagi
è un fatto considerabile?
– Nelle comunità naturali la densità delle popolazioni di molte
specie di insetti fitofagi è sempre molto bassa in confronto
alla disponibilità di cibo
– La distribuzione disomogenea così come le differenze nella
fenologia di specie di insetti riduce la competizione per il
cibo
– La competizione interspecifica può essere trascurabile
come fattore nella evoluzione di insetti fitofagi
– L’adattamento a nuove piante ospiti non può essere
considerato come una evasione evolutiva causata da
competizione interspecifica
L’EVOLUZIONE DELLE DIFESE
• La domanda a cui bisogna rispondere è
– Come la selezione naturale che fa evolvere
un popolazione di un vegetale determini il
livello di resistenza a insetti
– La logica di ciò può essere compresa
considerando
– Come la selezione naturale si può applicare
alla evoluzione della concentrazione
fogliare di alcuni composti difensivi o
metabolici secondari
» Come un particolare tipo di alcaloide
La relazione lineare tra concentrazione dell’alcaloide e
costo è
–W(R) = W(O) + B(R) - C(R)
• W(R) →benessere atteso
• W(O) →benessere di base uguale a quello di un
genotipo che non produce alcaloidi
• B(R) → beneficio
• C(R) → costo
• R → concentrazione alcaloide
Il genotipo con più alto benessere (wellness) è quello in cui
la differenza tra costo e beneficio è più alta
• Questo genotipo produce una concentrazione intermedia di
alcaloide (R) la cui concentrazione è così soggetta a selezione
stabilizzante
• La migliore evidenza circa il costo della
resistenza
– E’ fornito dallo studio che tenta di misurarlo direttamente
valutando se il benessere (W) di genotipi non resistenti
eccede quella di genotipi resistenti quando gli erbivori
sono assenti
– Infatti dalla equazione della concentrazione e costo
• W(R) = W(O) + B(R) - C(R)
Per B(R) = 0
• W(R) = W(O) + 0 - C(R)
– La mancanza di erbivori e la mancata riduzione della
resistenza utilizzata mette in evidenza il costo
• Infatti il termine costo è il solo rimasto nella equazione che varia
con la resistenza
• Due cultivar di orzo isogeniche
– Eccetto che per un locus che controlla la tolleranza all’afide
Schizaphis graminum
• La cultivar più suscettibile fu più fortemente competitiva di
quella tollerante
• Il fatto suggerisce che un costo, evidenziato da una crescita
ridotta in presenza di un competitore, è associato con la
tolleranza
• La riduzione della produzione di ombrelle (costo) in genotipi
di Pastinaca sativa che produce alti livelli di diversi tipi di
furanocumarine conferisce resistenza verso il lepidottero
Depressaria pastinacella
– La quantità di questi costi è alta
• La loro interpretazione è oscura perchè furono misurati in serra
in assenza dell’insetto fitofago
• I costi della resistenza della pianta Ipomoea purpurea relativi
a differenti genotipi furono misurati in ambiente naturale con
presenza di erbivori
• Il benessere degli stessi genotipi nel medesimo ambiente fu
misurata in assenza di erbivori
– L’assenza di una correlazione genetica negativa tra livello
di resistenza e benessere per ciascuno degli insetti
esaminati suggerisce che la resistenza agli insetti erbivori
non è un costo in Ipomola purpurea
– La mancata individuazione del costo, non può scartare
che il costo esista e sia molto piccolo per essere misurato
– L’apparente mancanza di costo è applicata solamente alla
resistenza associata con l’attuale variazione genetica
nelle popolazioni delle piante esaminate
• Il risultato di questi tentativi di individuare e misurare
i costi della resistenza indica
– Che siamo lontani dal conoscere come comunemente tali
costi impongano pressioni di selezioni significative sui
caratteri di resistenza delle piante
• Il costo della resistenza, comunque, può non essere
universale
• L’assunzione basilare, migliore, del modello costibenefici nella evoluzione della resistenza
– E’ quella che riducendo il danno dell’erbivoro la pianta ne
beneficia
• La resistenza che beneficia le piante non si
esplica sempre riducendo l’erbivoro
– Recentemente è stato messo in evidenza il
percorso dell’incremento della benessere della
pianta causato da erbivori in ambiente naturale
ed è stato constatato che
• La brucatura da mammiferi stimola una
cespugliazione che incrementa il numero di
branche
– Questo aumento conduce ad un incremento
nel numero di semi prodotti per pianta
Per capire l’evoluzione della resistenza è necessario un modello diverso da quello
costi-benefici
– Una possibilità è assumere che la resistenza è un costo e che il livello di difesa
che evolve è determinato dalla combinazione
• Della selezione genetica
• Della deriva genetica
– Così l’intensità di selezione su un carattere di resistenza dipende dal livello
medio di quel carattere nella popolazione della pianta
• Quando la resistenza media è bassa
– Le popolazioni dell’erbivoro sono elevate e impongono una selezione
che incrementa la resistenza media
• Come la resistenza media aumenta le popolazioni dell’erbivoro possono
declinare e perciò
– Più debole imposizione, più debole selezione attraverso il tempo
• Quando la resistenza è evoluta a un livello di soglia che protegge le piante
quasi completamente e la popolazione dell’erbivoro è stata molto ridotta
– Non ci sarà ulteriore selezione a incrementare la resistenza media
• Niente, comunque, costringe la resistenza media a un incremento sopra
questo livello per deriva genetica
– Il livello di resistenza può fluttuare nel tempo, ma è sempre ostacolato
attraverso la selezione dal cadere sotto soglia
Ipotesi sulla difesa delle
piante
Il dispiegamento delle difese nelle piante è stato
spiegato e predetto come una variazione
– genetica
– fenotipica
– geografica
Per quanto riguarda in modo specifico l’interazione
pianta e erbivoro
Ipotesi dei metaboliti
secondari
Alla fine degli anni ’50 del novecento Dethier (1959) e
Fraenkel (1959) suggerirono che
– I metaboliti secondari delle piante funzionano come
difesa contro gli erbivori e i patogeni
– L’ipotesi dei metaboliti secondari è divenuta il paradigma
centrale degli studi del rapporto pianta erbivoro
– La funzione difensiva come induzione evolutiva dei
metaboliti secondari non è sempre un fatto primario
• Infatti la siccità può essere il fatto induttivo e la difesa
un fatto collaterale
– La soluzione al problema si può ottenere analizzando
• Come le funzioni difensive contribuiscano alla
evoluzione dei metaboliti secondari
• Come altri fattori possono forzare il metabolismo
secondario comprese le risposte difensive
– I metaboliti secondari si trovano in tutti gli organismi che
non hanno un sistema immunologico
Ipotesi dell’apparenza delle
piante (PAH)
Negli anni ’70 del novecento Rhoades e Cates
(1976) e da Feeny (1976) suggerirono che
l’apparenza delle piante tenta di spiegare
• La distribuzione ecologica delle difese delle
piante
• L’ipotesi poggia su due fattori
– La facilità con cui l’erbivoro può trovare la
pianta ospite (o la probabilità di una pianta
ad essere attaccata)
– Il costo del meccanismo difensivo
La facilità con cui l’erbivoro può trovare la pianta
ospite (o la probabilità di una pianta ad essere
attaccata)
•“Piante o tessuti inapparenti" sono difficili da trovare da parte
dell’erbivoro perché
a) Rari nello spazio e nel tempo (rarità spazio-temporale)
b) Tendenti ad essere
• Specie erbacee piccole
• Specie in successione rapida
• Specie molto disperse
• Specie colonizzatrici di un effimero habitat ecologico
c) I giovani tessuti disponibili in una limitata finestra stagionale
•”Piante o tessuti apparenti” sono facili da trovare da parte dell’erbivoro
perché
– Comuni nello spazio e nel tempo (ordinarietà spazio-temporale)
– Tendono a essere
• Specie legnose o perenni
• Specie dominanti competitivamente nel loro ecosistema o
cresciute in gruppo
La differenziata probabilità con la quale le
piante potrebbero essere trovate dagli erbivori
– Determina un modo differente di
difendersi
• Le differenze nelle difese si basa
– Sui costi presunti
– Sulla efficacia delle differenti strategie di difesa
Le “piante non apparenti” potrebbero essere “qualitativamente”
difese
• Da tossine (es. glucosinolati, glucosidi cianogenetici e alcuni alcaloidi)
con effetti repellenti o nocivi a bassa concentrazioni
– Queste tossine avrebbero distolto poco meno delle specie erbivore
“specialiste”
– Queste tossine furono economiche perché non costituiscono una
larga frazione del peso secco della pianta
Le “piante apparenti” potrebbero essere “quantitativamente”
difese
• Dalla ridotta digeribilità dei prodotti chimici (tannini, lignina, silici, alcuni
terpenoidi e resine e oli correlati)
– Questi furono efficaci contro tutti gli erbivori
– Questi non furono soggetti al contrattacco chimico da parte di
erbivori, per il fatto che la loro azione si svolge prima della
assimilazione
– Questi furono relativamente dispendiosi, perché costituiscono una
larga frazione del peso secco della pianta
Ipotesi della resistenza
ottimale (OD)
La teoria della resistenza ottimale riepilogata da
Rhoades (1979)
– Assume
• Che c’è una limitata quantità di risorse che la
pianta può dedicare alla difesa
• Che ci sono richieste alternative per queste
limitate risorse
– Aspetta
• Che la selezione compia un ottima allocazione
della difesa che massimizzi il benessere della
pianta
Le difese sono costose quindi possono evolvere solamente quando e dove
i benefici dei loro effetti protettivi pagano i costi, per cui
– L’impegno difensivo delle piante dovrebbe diminuire in assenza di
nemici e crescere quando le piante sono soggette ad un alto rischio
di attacco
– Le piante dovrebbero evolvere difese in proporzione inversa al loro
costo
– Le parti della pianta di alto valore per il benessere della pianta
dovrebbero essere difese molto bene tenendo conto
• Dell’alto rischio
• Del costo della difesa del particolare tessuto
I costi della difesa possono essere indicativi delle correlazioni genetiche
negative tra difesa e crescita
– Questo anche se la teoria non indica come
• Le risorse disponibili possano vincolare quelle per la difesa
della pianta
• L’impegno alla difesa, ogni caso, dovrebbe essere
una funzione positiva
– Dell’energia totale
– Del budget nutritivo
• Questo se l’allocazione delle relative difese
– Sono fissate geneticamente ad un livello
costante
• Ne segue che le piante stressate dalle condizioni
ambientali
– Dovrebbero essere difese meno bene rispetto
alle piante non stressate
Ipotesi del bilancio
carbonio/nutrienti (CNB)
• L’ipotesi del bilancio carbonio/nutrienti è un
modello di come
– L’approvvigionamento del carbonio e dei
nutrienti influenzi
• L’espressione fenotipica della difesa delle
piante
• Questa ipotesi suggerisce che le risposte
fenotipiche dei metaboliti secondari sono
governate
– Dal bilancio carbonio/nutrienti (CNB)
• I metaboliti secondari a base di carbonio (es. i fenoli
fogliari) che non contengono nutrienti minerali
– Tendono ad accumularsi dove la crescita è limitata dai
nutrienti minerali ma non dal carbonio
• Così le difese basate sul carbonio dovrebbero essere aumentate da
un limitato stress nutrizionale
• Alcuni test condotti con il modello CNB
– I metaboliti secondari a base di carbonio
• Con tassi di tunover bassi tendono a supportare il modello
• Con tassi di tunover alti hanno mostrato responsi più variabili a
manipolazioni dello stato nutritivo della pianta
• L’accumulazione di prodotti secondari possono essere
interpretati alternativamente come
– Una risposta evolutiva agli erbivori (teoria OD)
– Una risposta fenotipica alle risorse disponibili (teoria CNB)
• Queste alternative in contesti specifici possono diventare
competitive
– Questa ipotesi può spiegare alcuni esempi di plasticità fenotipica
nelle difese delle piante
Ipotesi del bilancio
differenziazione/crescita (GDB)
L’ipotesi, del bilancio tra differenziazione e crescita
(GDB), in una serie di condizioni ambientali (Loomis
1932, 1953)
– Fornisce una struttura per predire, come sarà il
bilancio di allocazione delle risorse delle piante
tra
• I processi relativi alla differenziazione
• I processi relativi alla crescita della pianta
– La crescita e la differenziazione dipendono dalla
fotosintesi e sono in genere correlate
negativamente
• La crescita è dominante sotto condizioni
favorevoli
• La differenziazione è dominante quando le
condizioni, oltre agli approvvigionamenti da
fotosintesi, sono subottimali per la crescita
Le piante rispondono a fattori esterni ed interni
riguardo alla crescita e alla differenziazione
– Dividendo lo loro sviluppo in tre fasi
• Divisione cellulare (processo di crescita)
• Ingrandimento cellulare (processo di crescita)
• Maturazione e differenziazione delle cellule
(processi chimici e fisici relativi a tutto ciò)
L’ipotesi GDB concettualmente connette
l’intera fisiologia della pianta con i processi di
sviluppo a livello cellulare
– Tre sono le assunzioni che appaiono cruciali per
la capacità esplicativa della teoria GDB
• La correlazione genetica negative tra difesa e
crescita
• La crescita più sensibile della fotosintesi a
specifici stress ambientali (scarsità di azoto,
siccità)
• Le difese plastiche maggiori in piante in cui la
crescita è dominante rispetto alla
differenziazione
Non è ovvio come la plasticità fenologica dovrebbe
variare lungo un continuo di crescita e differenziazione
– Risulta evidente che piante a rapida crescita
rispetto alle piante a crescita lenta dovrebbero
essere caratterizzate
• Da livelli di difesa più bassi e più plastici
– Tuttavia non c’è ancora una spiegazione
fisiologica di come e perché alcune piante
abbiano più difese plastiche di altre
GDB non è dato come un rapporto finale completo
del processo di sviluppo nelle piante
– Ma come un conveniente e semplificato schema per
predire e spiegare il comportamento della pianta
Il concetto di crescita e di differenziazione è stato
applicato alla resistenza delle piante di Pinus taeda
verso Dendroctonus frontalis (coleottero scolitide)
– Un moderato deficit di acqua limita la crescita,
ma non la fotosintesi e la traslocazione dei
fotosintetizzati
• Favorendo processi di differenziazione come la
sintesi di oleoresine
La differenza tra CNB e GDB
La differenza tra le ipotesi CNB e GDB
sta nel fatto che
– CNB dà rilievo alle differenti
situazioni nella disponibilità delle
risorse
– GDB dà rilievo alle variazioni
temporali nella disponibili delle
risorse
Quando e dove diminuisce la crescita più che la
fotosintesi le piante potrebbero deviare la propria
attività verso
– La differenziazione (GDB) e l’accumulo di
carbonio a sostegno di composti secondari (CNB)
• GDB infatti provvede ad una struttura più estesa
perché coinvolge
– Sia tutti i fattori che possono limitare la crescita in favore della
differenziazione
– Sia il tasso del rapporto carbonio/azoto (CNB) come un
componente specifico di GDB
– Quindi CNB e GDB sono derivazioni indipendenti
dello stesso modello causale
• Inoltre è ovvio che le difese chimiche e morfologiche
– Forniscono solamente un aspetto dei processi di
differenziazione delle piante
Gli insetti
L’apparato sensoriale
dell’insetto
L’insetto quando cerca la sua “casa”
– La trova in seguito alla abilità del suo sistema
sensoriale di percepire e integrare stimoli esterni
individuati dai recettori
• Olfattivi
• Gustativi
• Visivi
• Tattili
L’unità di base del sistema sensoriale è la cellula
sensoriale o neurone
– Il potenziale generato dalla stimolazione del neurone
è il potenziale di ricezione
L’insetto come avviene anche per gli altri animali
deve differenziare fra gli stimoli la quantità e
qualità
– Questo è ottenuto da neuroni che sono sensitivi alle
differenti modalità in differente maniera all’interno
delle modalità stesse
I neuroni sensoriali
– Possono rispondere a un largo spettro di stimoli fra le
differenti modalità
– Essere rapidamente e puntualmente sintonizzati a
rispondere solamente a specifici stimoli
– La quantità di stimoli “lavorati” è correlata con la
grandezza del potenziale di ricezione
• Questo varia in relazione all’intensità degli stimoli, e viene
detto graduato
Olfatto
Gli assoni che provengono dai neuroni olfattivi terminano tutti in
un’area del cervello chiamata lobo antennale
– Il lobo ha una serie di glomeruli (piccoli gomitoli di fibre
nervose), centri primari dove si ha l’integrazione degli imput
olfattivi
• In Locusta migratoria più di 50.000 assoni sensoriali
convergono in circa 1000 glomeruli e circa 800 assoni
fuoriescono dal lobo olfattivo
• In Manduca sexta più di 150.000 assoni di neuroni
sensitivi agli odori delle piante convergono in circa 60
glomeruli
– È probabile che differenti glomeruli siano i centri in cui gli
imput provenienti dai neuroni sensoriali con simile risposta
arrivino insieme
• Un vantaggio di tale estensiva convergenza è che i
segnali entranti sono fortemente amplificati e
perfezionati
• Il numero dei glomeruli non limita la quantità di odori
distinguibili perché è ampliato dalla presenza di un codice
combinatoriale
– Ogni odore (=informazione), attiva una diversa
combinazione di glomeruli che corrisponde ad una
specifica zona del lobo antennale
• Es. nell’ape i lobo antennale ha 160 glomeruli
classificati come A, B, C,.…. l’odore della lavanda
stimolerà i glomeruli A, B ed E, mentre quello della
rosa attiverà i glomeruli A, D e E
– Ogni glomerulo ha proprietà fisiologiche determinate
geneticamente
– Ogni glomerulo ha uno specifico campo di azione: reagisce
solo a particolari molecole di odori e non ad altre
» Questa organizzazione è conservata all’interna delle
specie
L’insetto per la percezione degli odori
emessi da una potenziale pianta ospite fa
affidamento su un sistema di guida olfattiva
– Il sistema di guida e controllato dal sensillo
olfattivo dove la cuticola è perforata da
numerosi piccoli fori (multiporo) con diametro
che varia dai 10 ai 50 nm in differenti specie
di insetti
– Questi organi sono sensilli celoconici,
basiconici, peli molto corti e strutture piatte
basiconici
celoconici
La sensitività dei recettori dipende dalla
presenza dei siti accettori sulle
membrane dei dendriti dei neuroni
– I neuroni rispondono a una serie di
composti che presumibilmente hanno un
numero di differenti tipi di siti accettori
• I neuroni più specifici hanno solamente un
piccolo numero di tipi di siti accettori
• Gli insetti fitofagi possono individuare
– Larghi spettri di odori
• I fillofagi individuano gli “odori di erba fresca” come exanolo e
exenalo
– Perché mostrato una forte capacità di essere identificati più
di altri composti a più alto o più basso numero di atomi di
carbonio
– Perchè è la forma precisa della molecola odorosa che
determina la sensitività
– Specifici odori delle loro piante ospiti
• Delia antiqua esibisce una forte risposta ad alcuni
volatili della cipolla (propildisulfide, dipropildisulfide,
dimetildisulfide)
• Psila rosae esibisce una forte risposta ad alcuni
volatili della carota (trans asarone, trans metil-isoeugenolo, eugenolo)
Gli insetti fitofagi non sempre hanno recettori
specifici per i loro ospiti
– In adulti di in Leptinotarsa decemlineata
e Pieris brassicae
– Non sono stati trovati neuroni che
rispondano a specifici odori delle piante
ospiti
• Tuttavia le due specie individuano i loro
ospiti olfattivamente
I recettori olfattivi sono presenti
– Sulle antenne in quasi tutti gli insetti
– Sui palpi nelle cavallette in un piccolo numero
– Sui palpi labiali di alcuni lepidotteri
• Il numero dei sensilli olfattivi per la ricezione degli odori delle
piante può essere molto alto ma non arriva a più di 100.000
recettori di feromoni, perché i composti volatili delle piante
sono generalmente presenti in più alta concentrazione
rispetto ai feromoni
– In Locusta migratoria in ogni antenna ci sono circa 3000
recettori olfattivi tipo peli e 2000 sensilli tipo celoconici
– In Acyrthosiphon pisum in ogni antenna ci sono 24 piastre
e 4 sensilli tipo celoconici
– In Manduca sexta le larve hanno 3 sensilli olfattivi su ogni
antenna e 5 su ogni palpo mascellare
– In Manduca sexta gli adulti hanno centinaia di sensilli
Gusto
•Negli insetti il senso del gusto è
una chemioricezione di contatto
•Gli insetti possono percepire le
sostanze chimiche su superfici
secche come quelle fogliari
•
Dove si trovano i chemiorecettori di contatto?
– Negli ortotteri di solito sono presenti
• nell’apparato boccale
• nei tarsi
• nelle ali
• sull’ovopositore
• nelle antenne
• in tutte le parti del corpo
– Nelle larve dei lepidotteri ce ne sono comunemente
• due sulla parete interna del labbro superiore
• due per ogni galea
• otto in ogni palpo delle mascelle
• tre su ogni antenna
– Negli adulti del lepidottero P. brassicae sono
• sull’ovopositore
• sui tarsi
• sull’apparato boccale dove
• i sensilli della proboscide tendono ad essere più sensitivi ai fagostimolanti,
producendo più potenziali d’azione in risposta a daterminati stimoli
– Negli insetti con apparato boccale pungente succhiatore i sensilli sono soprattutto
• sulla parte distale del labbro superiore che ricopre i 4 stiletti (mandibole e
mascelle)
• Sulle pareti interne della cavità cibariale (faringe).
– Negli afidi sono presenti solo nella cavità interna della faringe
• I chemiorecettori di contatto hanno forma di peli o
piccoli coni di cuticola con alla estremità un singolo
foro
– Dal foro un tubo di materiale simile a cuticola si estende
verso l’interno del sensillo dove sono presenti i dendriti
del neurone
– Comunemente ci sono 4 o 6 neuroni associati ad un
singolo sensillo e i loro dendriti corrono attraverso la
guaina dendritica e arrivano al foro
• L’estremità del dendrite è rivestita da una sostanza
mucopolisaccaridica attraverso la quale le differenti
molecole stimolatrici devono passare per stimolare i
dendriti
– Ogni singolo neurone può avere nei sui dendriti più di un
tipo di siti di accezione
– Ogni neurone è sensibile a una serie differente di
sostanze chimiche come: zuccheri, aminoacidi, sali
organici, deterrenti, acqua
• Le proteine recettrici specifiche presenti sulle
membrane dei dendriti una volta associate con
potenziali molecole stimolanti sono in grado di
iniziare un potenziale di ricezione
– Nei neuroni delle mosche sensibili agli zuccheri sono
presenti tre differenti tipi di molecole di ricezione
proteiche che interagiscono con differenti tipi di molecole
di “zucchero”
– Una di queste è chiamata sito del piranosio perché
reagisce con
» Glucosio e arabinosio e altri zuccheri piranosi
con 6 atomi di carbonio
» Saccarosio che è il maggior fagostimolante per
gli insetti fitofagi
Schizaphis graminum
Dendroctonus frontalis
Manduca sexta
Leptinotarsa decemlineata
Delia antiqua
Pieris brassicae
Locusta migratoria
Psila rosae
Acyrthosiphon pisum
• Il modo in cui le sostanze deterrenti vengono
identificate sui dendriti dei neuroni sensibili a tali
sostanze non è ancora conosciuto
– Cellule deterrenti che rispondono a composti specifici
dell’ospite sono stati identificati in poche specie
• Pieris brassicae (lepidottero)
– Le larve nel sensillo della galea hanno neuroni che
rispondono ai glucosinolati
– Gli adulti nei sensilli dei tarsi hanno neuroni con sensibilità
simile a quelle delle galee larvali
– I glucosinolati sono composti caratteristici della famiglia delle
Brassicaceae su le quali le larve si alimentano e gli adulti
depongono le uova
• Chrysolina brunsvicensis (coleottero)
– Nei tarsi differenzia sensilli con neuroni che rispondono
all’ipericina un composto caratteristico della famiglia
Hyperaceae
Sensillo
Neurone 1
Neurone 2
Neurone 3
Neurone 4
Neurone 5
laterale
aminoacidi
glucosio,
saccarosio
glucosidi
deterrenti
stimoli
meccanici
Stiloconico mediale
della galea
sali
inorganici
alcuni
zuccheri
glucosidi
alcuni
deterrenti
stimoli
meccanici
Epifarigeale
sali
inorganici
saccarosio
-
deterrenti
-
-
-
-
Stiloconico
della galea
Canali mandibolari
stimoli
meccanici
Nel sistema nervoso centrale degli insetti
– Non esistono centri che servano come focus per tutti gli
imput che arrivano dai chemiorecettori di contatto
• Sull’apparato boccale
– Gli assoni da più di un sensillo si estendono al
ganglio subesofageo
» Le arborizzazioni degli assoni dei sensilli sulle
mascelle e sul labbro inferiore rimangono
separate in parti distinte del ganglio
(neuromeri)
• Sulle zampe
– I chemiorecettori hanno assoni che terminano nei
corrispondenti gangli segmentali
Nel sistema nervoso periferico degli insetti
• Il numero di sensilli aumenta con le
dimensioni dell’insetto
– Nel primo stadio ninfale di Locusta
migratoria ci sono solamente circa 3000
neuroni
• La specificità dei neuroni nei chemiorecettori
di contatto può essere limitata
– Nelle cavallette i neuroni che rispondono
al saccarosio rispondono anche al NaCl
L’evoluzione della risposta ai deterrenti
– Rappresenta il punto centrale nell’evoluzione
dell’interazione dell’insetto con la pianta ospite
– La tesi che il cambio dalla polifagia alla oligofagia (o il
contrario) coinvolga
• Un incremento generale o una riduzione di sensibilità
ai composti deterrenti è supportata essere a livello
comportamentale
• Il primo scalino, di questa manifestazione avviene
all’interno del sistema nervoso centrale piuttosto che a
livello dei recettori periferici
– Tale evidenza suggerisce che cambi periferici
seguono il cambio dell’ospite, piuttosto che esserne
la causa
» Gli insetti che sono arrivati ad alimentarsi su
particolari piante tendono a perdere le risposte
ai deterrenti chiave di quella pianta
Vista
La visione negli insetti erbivori funziona in
due vie
– La prima coinvolge l’abilità dell’insetto a
percepire i modelli spaziali
• Usando stimoli istintivi “sagome”
– La seconda coinvolge l’abilità dell’insetto a
rilevare differenze nella
• Luminosità
• Colore
• Saturazione di varie lunghezze d’onda della
luce
• La localizzazione della pianta ospite in seguito a
sollecitazione visuale è la conseguenza
– Della percezione della qualità spettrale dello stimolo
luminoso
– Della dimensione dell’oggetto
– Del modello o forma dell’oggetto
• Il movimento finale dell’insetto verso la superficie
della pianta
– E’ probabilmente guidata dalla percezione del profilo
della pianta
• Il contatto finale dell’insetto con la superficie della
pianta
– E’ dovuta ad una risposta positiva ai pigmenti gialli o
giallo-verdi delle foglie
• Che si trovano nello spettro di ampiezza di 500-580 nm
Tatto
Dopo che l’insetto a preso contatto con la superficie
della pianta
– I sensilli tricoidei nelle diverse parti del corpo
avvertono
• Gli stimoli tattili
– Forniscono al sistema nervoso dell’insetto
informazioni circa la morfologia della pianta
• Gli stimoli tattili ricevuti
» Dai tricomi del fusto
» Dalle creste epidermiche
» Dai margini dentati della foglia
– Innescano in modo geneticamente controllato
» Sequenze di comportamenti alimentari o di
ovideposizione
Le limitazioni neurali degli
insetti fitofagi
• La limitazione del sistema nervoso
– Determina quante informazioni possono
essere processate in un dato tempo
• La limitazione del sistema neurale
– E’ un fattore primario nella interazione tra
insetti e piante
• Il comportamento
– E’ il legame
• Tra fisiologia ed ecologia degli animali
– E’ una espressione
• Del processo neurale modificato dai fattori
fisiologici ed ambientali
– È l’elemento centrale
• Per capire l’interazione tra gli organismi
Gli erbivori Generalisti devono fare delle
scelte tra un ampio numero di opzioni
– I soggetti con un sistema nervoso limitato nella capacità
di trattare con molteplici segnali possono
• Sequenzialmente porre attenzione a differenti
stimoli per comprendere un ampio campo
• Essere impegnati in modo prolungato con alcuni
stimoli per valutarli completamente
• Rilevare più prontamente e in modo tipico certi
elementi cospicui del campo visivo rispetto ad
elementi a cui sono mescolati nell’ambiente
– Questo fatto è la base, che si presume valida,
per la valutazione degli “stimoli segnale” della
visione utilizzata dagli animali
»Specialmente nelle comunicazioni intra- e
inter-specifiche in molti differenti contesti
• Un erbivoro Generalista può computare
– Una larga quantità di informazioni
• Cambiando attenzione verso stimoli differenti
• Ritenendo altri imputs nella memoria
– E attraverso il confronto raggiungere una
valutazione
• Un erbivoro Generalista nelle decisioni
– Manifesta la flessibilità di un insieme di capacità
sensorie combinate con
• Una abilità a spostare l’attenzione
• Una abilità all’estensivo uso dell’apprendimento
• Un erbivoro Specialista è un animale che si è adattato ad
un ambiente prevedibile
• Sviluppando la sensibilità ad alcuni rilevanti e
importanti stimoli
• Semplificando il problema dell’attenzione selettiva
• Un erbivoro Specialista è un animale che ha una strategia
che richiede
– Pochi recettori
– Una più piccola capacità di memoria rispetto a un
Generalista
• Un erbivoro Specialista è un animale con risposte prefissate
• Meno decisività
• Più rapida risposta
• Un erbivoro Specialista è un animale che ha
– Risparmiato nella macchina neurale
– Una efficiente capacità decisionale
Le decisioni cognitive degli animali Generalisti e
Specialisti
– Sono complicate, anche dal fatto che il comando finale che
esce dal cervello per un determinato comportamento è il
risultato della interazione tra
– Gli impulsi sensori provenienti dall’ambiente
– L’ambiente interno dell’animale in costante
cambiamento
– I nutrienti
– Le tossine
– Gli ormoni
– Neuromodulatori
– I differenti processi oscillatori e complessi del sistema
nervoso
– Le interazioni neurali caotiche prive di punti di
equilibrio
• Le limitazioni neurali, tra gli insetti erbivori
hanno un significato più grande
– Tra i Generalisti che tra gli Specialisti
• Le possibilità delle costruzioni neurali negli
insetti erbivori
– Da ragione ai vari limiti osservati nei repertori
del comportamento degli insetti
Per gli insetti erbivori è importante conoscere
– I segnali visivi
• La forma o il modello riflesso ha
importanza per alcune specie di erbivori
– I segnali chimici
• Possono avere una particolare attrattività
– Le misture di prodotti chimici comuni nelle
piante verdi
– I prodotti chimici che sono presenti in particolari
piante ospiti
• Un erbivoro Specialista può trarre vantaggio
– Dai caratteri specifici della pianta ospite
Gli insetti per localizzare il cibo e costruire la
decisione
– Spesso usano l’odore del cibo che ne
condiziona i movimenti contro vento
• A distanza dalla pianta
• In prossimità della pianta
• A contatto con la pianta
– Gli insetti arrivati sulla pianta prendono una
delle decisione possibili relativamente
• Alla parte di pianta da utilizzare
• Allo stop dell’alimentazione su cibo non
ideale
• All’abbandono dell’ospite senza ovideporre
L’efficienza nella scelta di fronte a differenti diete può
essere misurata
• Dalla qualità dell’ospite selezionato
• Dalla proporzione degli errori fatti nella scelta
• Dal tempo necessario alla scelta
Quando la scelta dell’ospite è stata fatta
• Può seguire rapidamente
– Il compito di attenzione verso
» L’ovideposizione
» L’alimentazione
Il compito di attenzione e di vigilanza contro i rischi è
mantenuto quel tanto che necessita al completamento del
comportamento intrapreso senza rinvii
– Un erbivoro Generalista
•Può essere distratto nella scelta dell’ospite
– Dalle informazioni sensorie competitive che arrivano
da ospiti alternativi similmente attrattivi
– Un erbivoro Specialista
•Non può essere distratto nella scelta dell’ospite
– Dall’attenzione dominante per la scelta di un ospite
specifico
»Perché ha meno informazioni sensoriali provenienti
dall’ospite da processare per identificarlo
La limitata efficienza nel processo di decisione tra i
Generalisti
– Nelle differenti specie di insetti erbivori ci
sono limitazioni sulla efficienza nella
formazione del processo di decisione nella
scelta del cibo dovuto
• Al tempo necessario alla formazione della
decisione
• All’abilità a fare la scelta migliore tra gli
ospiti di qualità superiore
• Ai livelli di distrazione durante l’attività
correlata all’ospite
E’ difficile stabilire la relativa abilità degli erbivori, con un’ampia
dieta, a scoprire le piante ospiti perché è difficile determinare
quale fatto è stato rilevato primariamente tra
• L’avvicinamento alla pianta
• La ricerca della pianta
– Un caso in cui il fatto è stato distinto riguarda Battus
philenor, un lepidottero Generalista
• L’insetto per l’ovideposizione sceglie in modo
specialistico sempre su una specie di pianta in
mancanza di queste gli ospiti alternativi sono trovati a
tasso più basso
– Il lepidottero in momenti diversi può focalizzare
l’attenzione su ospiti alternativi operando uno
spostamento di attenzione su due alternative
» Focalizzando l’attenzione sulla forma di una
foglia
» Sviluppando “una ricerca di immagine” per una
specifica forma di foglia
• Gli insetti Generalisti hanno delle limitazioni neurali che li rendono
meno efficienti nell’accuratezza con cui scegliere le piante ospiti
– La costruzione della scelta più appropriata incorre in alcune
difficoltà
– Quando è possibile non scelgono gli ospiti molto favorevoli o la
migliore mistura di ospiti
• Il lepidottero Grammia geneura
– Prende una rapida decisione
– La decisione presa tende ad essere cattiva rispetto a quella
migliore per la sua crescita
• Gli insetti Specialisti hanno un vantaggio in confronto agli insetti
Generalisti rispetto alla precisione della scelta
– In una popolazione dell’afide Uroleucon ambrosie
• Le forme Generaliste rimangono più a lungo su un ospite non
suscettibile rispetto alla forma Specialista
• Le forme Specialiste che si muovono rapidamente verso
l’ospite Ambrosia trifida
Gli imputs sensori non legati al cibo possono interferire con il
comportamento di scelta dell’alimento
– Gli individui di Schistocerca americana che devono
scegliere tra due piante
• Richiedono più tempo per la decisione
• Spendono più tempo per alimentarsi
– Gli adulti di Bemisia tabaci che possono scegliere tra
potenziali piante-cibo
• Spendono meno tempo su ogni singolo alimento
– Rispetto a quando si trovano in presenza di una singola
pianta-cibo
• Gli individui adulti lasciano la migliore pianta-cibo
– Se altre specie di piante sono presenti
• Gli individui adulti non lasciano la migliore pianta-cibo
– Solamente se piante conspecifiche sono presenti nelle
vicinanze
Gli insetti erbivori sono per la maggior parte
Specialisti
– Usano un numero molto ristretto di piante ospiti
caratterizzate da composti fitochimici di grande
importanza per la identificazione dell’ospite e tra
questi
• Alcuni sono volatili
• Alcuni sono non volatili
– Sono in genere specificatamente e altamente
sensibili
• A particolari componenti odorosi della pianta ospite
• A caratteristiche misture di composti volatili
Gli odori specifici della pianta ospite hanno un ruolo
importante nella efficienza (rapida e accurata)
• Nello scoprire
• Nel costruire una decisione
– L’odore specifico forma un segnale di contrasto
• Che rapidamente rilascia il comportamento
appropriato
– La sensibilità verso particolari odori è data da una più
alta proporzione di recettori olfattivi specifici verso
queste manifestazioni odorose
– Il coleottero Ceutorhynchus assimilis è attratto da
più di 20 m dagli isocianati dell’ospite
• L’odore condiziona il comportamento dell’insetto dopo il
contatto con l’ospite
– Incrementando l’eccitazione l’attività e le decisioni
• I segnali gustativi sono importanti quanto gli odori nel
indicare la specificità dell’ospite
• Uno o alcuni composti chimici specifici dell’ospite sono
i fattori dominanti nella scelta da parte di Specialisti
estremi
– I lepidotteri del genere Euphydryas utilizzano piante di
diverse famigliecon fisiologia e biochimismo molto semplice
per la presenza dei glicosidi iridoidi
– La sensibilità di Delia radicum (Diptera Anthomyiidae) a
nuovi prodotti chimici nei cavoli è così specifico che la
sensibilità dei chemiorecettori è nello stretto limite di quelli
associati al rilievo del feromoni
• La diversità dei composti chimici trovati
• Tra differenti specie di piante
• Entro singole piante
– Determina, potenzialmente, chiari segnali per
ogni erbivoro
• L’evoluzione convergente di certi prodotti chimici
in differenti gruppi di piante ha permesso
– A certe specie di insetti di usare ospiti
differenti per la identificazione dei quali
possono usarsi
– Glicosidi iridoidi ► Euphydryas spp
– Glicosinolati ►Delia radicum
I segnali chimici inusuali delle piante sono un
segnale forte
• Utilizzato dagli insetti per fare una scelta positiva
– Gli insetti Specialisti sono dissuasi più dei
Generalisti
• Dai metaboliti secondari dei vegetali non ospiti
– Gli insetti Specialisti sono beneficiati nella scelta
dell’ospite
• Dal forte contrasto tra
– I segnali positivi degli ospiti
– I segnali negativi dei non ospiti
Il dilemma dei non specialisti e alcune soluzioni
• Gli insetti polifagi
– Ottengono più vantaggi che svantaggi da questo
comportamento perché
• L’efficienza di prendere una decisione
– E’ probabilmente di grande significato in una data situazione
ecologica
• La soluzione del problema di una ridotta efficienza
– Può essere quella del mantenimento di un sistema nervoso più
sofisticato
• Gli insetti oligofagi
– Guadagnano forse alcuni dei vantaggi della specificità
– Mentre mantengono alcune flessibilità
Nella interazione tra stimoli chimici a livello dei chemiorecettori
di insetti fitofagi avviene comunemente
– I deterrenti riducono l’imput dai neuroni positivi e viceversa
• L’interazione nei sensilli può alterare la condizione delle funzioni doserisposta
– Quindi un graduale cambiamento senza interazioni diventa un passo funzionale
come succede comunemente in insetti con un ampia interazione
• L’interazione può essere una delle vie nella quale un insetto con segnali
meno definitivi di rilevazione di ospiti di alta qualità può migliorare la propria
abilità a prendere rapidamente una decisione positiva o negativa
– In locuste Generaliste è stato visto che la scarica di una cellula nervosa
di un chemiorecettore di contatto può inibire la scarica di un altro
chemiorecettore del medesimo sensillo con differenti capacità quindi
avviene un effetto interativo dopo la produzione del generatore
potenziale
• Tale effetto interativo può allora essere importante nel produrre la
particolare e sincrona scarica di un corteo di cellule del gusto
– Questo appare succedere in alcuni coleotteri solamente quando la
richiesta mistura di composti chimici della pianta sono presenti
Gli insetti rispondono in modo differente agli stessi
livelli di imputs in relazione al comportamento corrente
• Gli individui durante lo svolgimento di molteplici
attività sono meno realmente disturbati rispetto a
quando sono apparentemente in quiete
– La femmina di un lepidottero ropalocero che
sta ovideponendo è relativamente insensibile
a disturbi
• Il filtraggio centrale o i circuiti di modulazione
assicurano in ogni momento un comportamento
• La plasticità del comportamento è critica tra le
specie
•La scelta dell’ospite quando varia in modo imprevedibile
– L’ eccellente accordo nel sistema nervoso attraverso l’esperienza può
provvedere a molti dei benefici posseduti dagli Specialisti
•Molte specie limitano le loro preferenze come risultato di
esperienze attraverso meccanismi non sempre conosciuti
– In alcuni casi il cambiamento è dovuto ad un aumento o a
diminuzione di sensibilità dei chemiorecettori a certi
metaboliti
– L’ accordo eccellente può avvenire centralmente limitando
l’ampiezza delle scelte positive e negative attese quindi non
c’è ragione di assumere che c’è un cambiamento correlato
nelle normali misurate caratteristiche di esecuzione
» I maschi dei ditteri Tefrididi non mangiano separati dalle
femmine e esperienze con frutti di un tipo predispone le
mosche a non cambiare frutti
L’apprendimento associativo
•
– Incrementa e costruisce la decisione
– Determina benefici nell’attitudine
Per i Generalisti
– L’apprendimento è importante perché è correlato
• Alla scelta di ospiti di alta qualità
• Alla scelta di ospiti molto abbondanti
• Migliora la rapidità di costruzione della decisione
– Le api possono selettivamente prestare meno attenzione a minori
suggerimenti dell’ambiente
» Individui addestrati possono prestare attenzione al cibo ricompensa
camuffato
– All’aspetto adattativo per l’apprendimento delle api e la costruzione della
memoria è posto come meccanismo sottostante la costanza floreale perché è
difficile apprendere e tenere in memoria vari tipi di flora richiedenti diversi tipi
di manipolazioni
» Questo perché devono mantenere fedeltà a un tipo di flora per un lungo
periodo
– Quindi quando ci sono alcune opzioni di comportamento a ciascun momento
è difficile pensare a delle limitazioni sulla memoria sulla informazione e sul
modo di impiego della memoria
– Una singola inclinazione ad alcuni suggerimenti ha un ruolo come limitazione
del corto e del lungo termine della memoria
– Api che vanno verso fiori artificiali di diverso colore senza ricompensa e li
comunicano alle consorelle
» Suggerisce che c’è un modello innato che rimane costante a un
suggerimento per un periodo senza riguardo verso fattori di memoria o
ricompensa
• I Generalisti estremi
– Apparentemente adattati a situazioni nelle quali può
esserci in alternativa
• Piante-cibo presenti in modo variabile e
imprevedibile per qualità e quantità
• Piante-cibo tutte molto ricche di metaboliti
secondari potenzialmente nocivi
– Sono attirati in mescolanze di cibo mangiano una
varietà di piante
• Frequentemente costruiscono la scelta su quello
che mangiano rispetto a quello che ignorano
Per gli erbivori l’ampiezza delle specie di piante
alimentari è spesso determinata
• Da nuovi composti chimici che riducono l’inefficienza e la
complessità di costruzione della decisione
• Nella cavalletta Taemiapoda eques la gestione della fedeltà ad
una specie di pianta avviene durante una serie di incontri con
diverse specie di piante
– Questo suggerisce che la cavalletta si focalizza
sequenzialmente su un particolare cibo
• Dalla qualità della dieta modificata
– L’accettabilità di alternative che dipendono dalle necessità nutrizionali
• E’ una flessibilità determinante nel consolidamento degli imputs
sui differenti chemiorecettori dei nutrienti
– Tale fisiologico feedback può migliorare la velocità e
l’accuratezza nella costruzione della decisione
• Negli insetti erbivori ciò è stato dimostrato, fino ad ora, solamente
– Nelle cavallette
– Nelle larve Generaliste di lepidotteri
Per gli insetti i rischi ambientali sono sufficientemente severi quindi
l’attenzione ad essi è sempre importante
– Il tempo supplementare occorrente per la costruzione di una decisione è
importante di per se
• Il tempo perso in questa rapida decisione riduce l’opportunità di
predazione durante il foraggiamento
– I limiti sul processamento simultaneo di diversi imputs sensori
• Può imporre la necessità di attenzioni selettive a differenti compiti in
successioni
– Focalizzando l’attenzione su la ricerca e la scelta delle piante ospiti
• Viene ridotta l’attenzione ad altri rischi
• Viene richiesta fretta nella scelta dell’ospite per la manifestazione del
comportamento legato alla attenzione
– Dividendo alternativamente l’attenzione tra foraggiamento e fuga il segnale
più semplice sarebbe vantaggioso
• Questo usualmente comporta una ridotta abilità ad ottenere cibo appropriato
– Le limitazioni neurali che richiedono attenzioni selettive conducono a dividere
l’attenzione sotto il rischio della predazione a costi misurabili
• Rischio di predazione è difficile da quantificare
– Così è valutato come un fattore selettivo nella interazione piantainsetto
• Il problema è ulteriormente complicato dal fatto che la vigilanza non può
essere mantenuta per un lungo periodo di tempo
Il comportamento dell’erbivoro
• Intermittente, indeciso, per la scelta alimentare, e ogni altra esitazione
sono dannosi
– Perché un insetto è evidente
– Perché un insetto attento alle attività relative al cibo non è attento
a simultanei rischi ambientali
• La qualità dei nutrienti
– Interagisce con i problemi del rischio e dell’attenzione
• La bassa concentrazione di proteine nelle foglie e l’alta
richiesta di queste sostanze da parte degli insetti
– Porta questi a mangiarne grandi quantità con un più lungo
periodo di permanenza sull’ospite alimentare
– Con un più alto rischio di predazione
• L’alta qualità del cibo riduce il rischio di predazione
– Perché può essere speso meno tempo su gli ospiti per
mangiare
• Forse la fitness vantaggiosa per l’erbivoro è associata
– Al fatto che l’evitare il predatore supera l’incremento del tasso di
sviluppo
La sicurezza e la crescita sono importanti assieme
– L’alta qualità del fogliame
• Riduce il tempo di sviluppo riducendo il rischio di
perdere la vita
– Le foglie pongono sfide fisiche agli insetti che attraverso
adattamenti morfologici trovano il modo di cibarsene
• Certi tipi di mandibole in differenti linee di insetti
indica il valore di tale struttura
•La fitness vantaggiosa dell’efficienza di comportamento come
– La velocità di ritrovamento e di decisione sull’ ospite e il
comportamento esecutivo è una funzione della fuga dai
nemici
– Negli insetti specialisti la fitness di vantaggio è la
semplificazione del sistema nervoso
• Le cavallette Specialiste hanno un numero più piccolo
di sensilli rispetto alle Generaliste
Quando l’ampiezza delle diete diminuisce
• Nelle varie specie di erbivori diminuisce il numero di
recettori
– Alcuni Specialisti estremi hanno pochissimi
chemiorecettori di contatto
• Non c’è indicazione circa gli investimenti in altre parti
della struttura naturale
– Comunque la grandezza delle varie parti del centro
integrativo del cervello degli insetti sono correlate con la
complessità del comportamento
» Negli ortotteri dove predominano i Generalisti il cervello è
più grande di quello degli emitteri, della stessa
grandezza, dove predominano gli Specialisti
La grande diversificazione degli insetti erbivori è associata
con l’espansione e l’incremento di diversità delle
Angiosperme
– La straordinaria diversità dei metaboliti secondari della pianta, crea
un legame tra insetti e angiosperme, che comporta una corsa agli
armamenti indicata
• Dalle centinaia di composti fenolici, alcaloidi, terpenoidi, iridoidi,
flovonoidi, steroli e altri composti chimici secondari che si
trovano nelle piante
– Molti non hanno alcun effetto sugli erbivori
– Altri stimolano l’alimentazione e/o la crescita
– Altri sono sequestrati per la protezione dai predatori
– Molti sono chiaramente tossici e servono come difesa da
parte delle piante contro molti erbivori
» Quando le piante sono inabilitate ad usare tossici per
difendersi non è chiaro se perdono le difese o se ne
hanno evolute di specifiche contro particolari erbivori
Studi filogenetici mostrano una scarsa correlazione tra insetto e
cladi di piante ospiti per ripetuti spostamenti tra differenti linee
di piante
•Gli insetti spesso si sono spostati su piante con simili profili
chimici incuranti del fatto che le piante siano connesse
– Quando un segnale è forte e chiaro assiste gli insetti
erbivori
• Nella costruzione di una rapida formazione di una decisione
• Nel rimanere attenti a un particolare ospite durante
l’alimentazione o l’ovideposizione
– Quando l’attività di selezione sul sistema sensorio e la
sua proiezione sul sistema nervoso centrale potrebbe
favorire
• Quegli insetti che combinano il fine adattamento di rilevazione di
segnali distintivi con particolari chemiotipi di piante
– La primaria valutazione di tale abilità è collegata alla
sopravvivenza in presenza di predatori
Allora la selezione sul sistema nervoso
– Potrebbe agire attraverso meccanismi che aumentano la
vigilanza
– In ogni caso quando le piante cambiano e si diversificano
chimicamente
• Gli insetti erbivori essendo dipendenti da specifici
segnali possono anche cambiare e diversificare la
discriminazione dei segnali degli ospiti
– Questa capacità discriminatoria potrebbe essere
mantenuta ai massimi livelli di rilevazione e
contrasto in ogni particolare popolazione
• Molti dei composti chimici secondari non sono tossi ma
deterrenti
– Tutto ciò mette in evidenza le limitazioni
incombenti sugli Specialisti che si sono ottimizzati
su un chemiotipo di pianta
La valutazione dell’efficacia del comportamento è
fatta in termini di segnale informativo
– Un erbivoro per trovare il proprio ospite usa un composto
chimico come segnale stimolo
• La popolazione della pianta ospite può produrre un
enzima che altera il composto A in B
– Questa può sfuggire all’erbivoro fino quando la
variazione dell’erbivoro consente il suo passaggio
sulla pianta B seguendo il segnale appropriato
»Questa dilazione nell’aggressione può verificarsi
solo se c’è rigidità nel sistema sensorio
dell’erbivoro che lo connette allo stimolo segnale
B della pianta
Un insetto erbivoro geneticamente può mostrare due
alternative o entrambe le alternative allo stesso
tempo
– Nella propria specificità
• Come l’uso di molte specie di piante
– Nel cambiamento
• Dell’ordine di preferenza delle specie di piante
• Dell’ordine di quale specie di pianta è preferita
– Il cambiamento nell’ordine delle preferenze sono
• La base del cambiamento dell’ospite visto in
cladi di insetti altamente specializzati
La capacità dell’insetto di usare alcune o solo una specie di
pianta può migliorare il suo benessere
– Quando ci sono acquisizioni ottenute su piante differenti per ragioni
fisiologiche o ecologiche
• I fattori fisiologici coinvolgono
– Crescita e sviluppo o fatti correlati come la digestione e
l’abilità di digestione
• I fattori ecologici coinvolgono
– Tratti morfologici che influenzano la fuga dai nemici naturali
– Abilità a trovare, selezionare e frequentare specifiche piante
ospiti è tale che la vigilanza verso nemici naturali può essere
mantenuta o aumentata
– Le variazioni nell’ordine di preferenza verso le piante ospiti
entro e tra popolazioni di una specie di insetto può essere la
norma dando la possibilità alla specie di divergere in specie
separate con differenti ospiti
– Per queste variazioni si può guardare al sistema nervoso
invece ce alle costrizioni postingestiva
» Alcune sono simili a cambiamenti di specificità altre
cambiamenti di preferenze
I cambiamenti evolutivi nei processi sensoriali
•I modelli di affiliazione all’ospite
– Sono probabilmente molto influenzati dal gruppo di insetti considerato a
livello di ordine
• Negli Ortotteri che hanno un grande cervello e un grande numero di
sensilli
– I processi sensori dipendono da processi integrativi più che da
linee assegnate direttamente dai chemiorecettori che
definiscono gli stimoli segnale
– Piccoli cambiamenti in un recettore o in una sinapsi ha un
limitato effetto sul comportamento
• Nelle larve dei lepidotteri che hanno cervelli semplici e un numero
molto piccolo di chemiorecettori
– I piccoli cambiamenti in un recettore o in una sinapsi possono
avere un grosso impatto sul comportamento
– Questo mette in evidenza che gli insetti diversi dagli ortotteri
• Possono evolvere in modo relativamente rapido i sistemi di rilevamento e
discriminazione così che sono
– Abili a seguire l’evoluzione chimica della pianta in una via che è meno
probabile per le cavallette
Tutto questo porta un contributo alla importanza della
coevoluzione delle piante e del sistema recettore dell’insetto
I dettagli sull’insetto relativi
• Al comportamento
• Alla fisiologia specialmente sulla neurofisiologia
– Hanno suggerito un approccio teorico tecnico
dell’interazione pianta insetto verso le limitazioni del
sistema nervoso
– La combinazione delle limitazioni neurali sui processi
favorevoli
• Riduce l’ampiezza della dieta
– L’effetto delle limitazioni del sistema nervoso nella
ecologia e evoluzione
• Agisce attraverso l’effetto della vigilanza quindi attraverso i
nemici naturali
Possibili cambiamenti che possono avvenire neuralmente e gli effetti
sui cambiamenti di comportamento in relazione alle piante
Cambiamenti genetici
Effetti
Conformazione del legame proteico
Determinazione di composti non polari
portati dai dentriti dei chemiorecettori
Cambiamento in conformazione di proteine
ai luoghi di ricezione sui chemiorecettori
Influenza sulla sensibilità della cellula a
particolari composti
Alterazione dei siti di ricezione per
particolari composti chimici
Alterazione della sensitività della cellula a
particolari composti
Alterazione del secondo messaggero di
membrana di +o- chemiorecettore
Alterazione della sensibilità +o- della cellula
nell’insieme
Modello di alterazione della espressione
del gene delle proteine del recettore su +ocellule
Effetto interruttore di stimolo da + a – o
viceversa
Alterazione del collegamento dei neuroni
sensoriali agli interneuroni
Effetto interruttore di stimolo da + a – o
viceversa
Alterazione dei livelli di uno o più
neuromodulatori a una o più sinapsi
Alterazione del peso di differenti + e imputs
Alterazioni degli imputs sinaptici in qualche
parte nella via al centro di controllo
Alterazione del peso di differenti + e imputs
Strategie di aggressione
dell’erbivoro e loro conseguenze
• Le caratteristiche aggressive sono quelle che
– Permettono agli erbivori di incrementare
• La loro alimentazione
• L’utilizzo di un ospite quando questo uso li beneficia
– Aumentano le prestazioni o il benessere dell’erbivoro
– Sono determinanti dal punto di vista dell’erbivoro
• Le caratteristiche aggressive non necessariamente
causano più danni alle piante o ne riducono il
benessere
• La chiave dicotomica che segue aiuta a definire e
organizzare le ricerche circa le caratteristiche
aggressive
Tavola dicotomica per i caratteri aggressivi degli
erbivori (Karban e Agrawal 2002)
1Gli erbivori hanno caratteri
che corrispondono a quelli
dell’ospite?
2 Il carattere produce un
incremento misurabile nel tasso
o efficacia dell’alimentazione
dell’erbivoro o di altri usi (come
l’ovideposizione)dell’ospite?
3 Il carattere aumenta l’azione
No
Si
Il carattere è improbabile che
sia coinvolto nella aggressività
dell’erbivoro
Possibile carattere aggressivo
Il carattere non è coinvolto nella
aggressività dell’erbivoro
Possibile carattere aggressivo
Il carattere non è benefico
Il carattere è correntemente
aggressivo (procedere a 4)
Il carattere è correntemente
benefico, ma fu formato e
mantenuto da altre pressioni
selettive
Il carattere è correntemente
benefico ed è stato formato o
mantenuto per l’erbivoro
(caratteri adatti all’aggressione)
e il benessere dell’erbivoro?
4 Il carattere evolve come
adattamento verso l’erbivoro?
(procedere a 2)
(procedere a 3)
• Iniziamo chiedendoci se le caratteristiche dell’erbivoro
appaiono tener testa alla sfida che le loro piante ospiti
presentano
– Ad esempio ci si chiede se le appendici boccali o l’ovopositore
corrispondono alle caratteristiche dell’ospite
• Primo passo
– Esame delle variazioni nelle caratteristiche dell’erbivoro quando si nutre su
differenti ospiti
– Comparazione delle caratteristiche osservate con quelle alternative viste in
altri erbivori
• Secondo passo
– Se le caratteristiche dell’erbivoro aumentano il tasso o l’efficienza
dell’alimentazione o altro uso dell’ospite
– Il confronto è con erbivori che esibiscono caratteristiche alternative
• Il benessere conseguente alle possibilità aggressive delle
caratteristiche dell’erbivoro sono state raramente quantificate
sebbene una connessione tra l’efficienza dell’erbivoro e
benessere è stata spesso assunta
– Idealmente il benessere dell’erbivoro andrebbe rilevato durante tutta
la sua vita perché le prestazioni possono aumentare in uno stadio e
diminuire in un altro
Le caratteristiche aggressive degli erbivori
– Caratteristiche plastiche
• Che cambiano attraverso un tempo ecologico
– Un periodo di 10 anni di generazioni o giù di lì
durante il quale una popolazione può, in media,
mantenersi in uno stato stabile
– Caratteristiche fissate
• Che cambiano attraverso un tempo evolutivo
– Un periodo di circa 500.000 anni sufficiente a un
cambiamento evolutivo per rompere lo stato
ecologico stabile
• Le strategie impiegate dagli erbivori per sfruttare i
loro ospiti
– 1° strategia: i meccanismi comportamentali: la meno aggressiva
Gli erbivori non si nutrono o ovidepongono scegliendo a caso il
mondo verde, ma possono fare scelte sofisticate
La scelta è considerata aggressiva quando aumenta l’efficienza
e il benessere dell’erbivoro
– 2° strategia: le caratteristiche morfologiche e fisiologiche: talvolta
aggressiva
L’alterazione della morfologia e fisiologia attraverso un tempo
ecologico ed evolutivo per meglio sfruttare gli ospiti esistenti e
per cominciare a sfruttarne dei nuovi
– 3° Strategia: la manipolazione dell’ospite: molto attiva
L’aggressione dell’erbivoro può succedere in pre-ingestione
– Per sopprimere l’abilità dell’ospite a rispondere
difensivamente
– Per indurre l’ospite a creare una galla altamente nutritiva
L’aggressione dell’erbivoro può succedere in post-ingestione
– Per la metabolizzazione dei prodotti secondari della pianta
– Per la sequestrazione dei prodotti secondari necessari alla
protezione dell’erbivoro contro i propri predatori
Modelli di aggressività degli
erbivori
Rhodes (1985) descrive una dicotomia tra erbivori
furtivi e opportunisti
Erbivori furtivi
Metabolizzano o detossificano le difese delle piante
Costituite dai composti chimici secondari
Manipolano i loro ospiti
Inducendoli a provvedere loro più tessuti nutritivi
Cooptano le loro difese che usano a proprio beneficio come
Stimolanti alimentari
Opportunità per l’accoppiamento
Difesa contro i propri nemici
Inibizione delle risposte indotte della pianta sopprimendo il
riconoscimento, lo spiegamento o l’effetto della resistenza
indotta
Sono solitari, territoriali
Causano danno superdiffuso
Erbivori opportunisti
Evitano piante che sono ben difese
Sono attratti da piante che forniscono
abbondanti nutrienti
Sono respinti da composti chimici secondari e
altri deterrenti
Causano spesso involontariamente resistenza
indotta nelle piante ospiti che diventano più
resistenti dopo la loro alimentazione
Sono gregari, coloniali e raggruppati nello
spazio
Hanno un tasso intrinseco di crescita più alto
Hanno una dinamica di popolazione più
variabile rispetto agli erbivori furtivi
Caratteristiche delle specie di erbivori furtivi e
opportunistici definite da Rhoades (1985)
Specie furtive (stealthy)
Specie opportunistiche (opportunistic)
Livelli di popolazioni costanti
Uso conservativo della pianta ospite
1. Attacco di tessuti di basso valore per l’ospite
2. Alta efficienza di conversione del materiale ingerito
3. Tasso di conversione del materiale ingerito basso
4. Alta digeribilità del cibo
5. Tasso di alimentazione basso (indice di consumo)
6. Temperatura del corpo bassa
7. Tasso metabolico basso
Livelli costanti di parassitoidismo e predazione
Tassi costanti di sopravvivenza e riproduzione
1. Tasso intrinseco di crescita della popolazione basso
2. Fecondità massima bassa
Non migratori
Riproduzione anfigonica
Mutua interferenza
1. Uova singole
2. Solitari
3. Territoriali
4. Dispersione del danno spazialmente regolare
Livelli di popolazioni variabili
Uso dissipativo della pianta ospite
1. Attacco di tessuti di alto valore per l’ospite
2. Bassa efficienza di conversione del materiale ingerito
3. Tasso di conversione del materiale ingerito variabile
4. Bassa digeribilità del cibo
5. Tasso di alimentazione variabile (indice di consumo)
6. Temperatura del corpo alta
7. Tasso metabolico alto
Livelli variabili di parassitoidismo e predazione
Tassi variabili di sopravvivenza e riproduzione
1. Tasso intrinseco di crescita della popolazione variabile
2. Fecondità massima alta
Migratori e non migratori
Riproduzione anfigonica e partenogenetica
Mutua facilitazione
1. Uova in ovature
2. Gregarii
3. Colonizzatori
4. Dispersione del danno spazialmente contaggiosa
Adattamenti difensivi delle piante e contro adattamenti
aggressivi delle piante definito da Rhoades (1985)
Adattamenti difensivi
delle piante
Adattamenti offensivi degli erbivori
Furtivi
Opportunisti
Communicazioni tra
piante
Soppressioni
communicazioni
Emissione di
controsegnali
Immunità acquisita
Ricognizione
Ricognizione
soppressa
Sorpresa
Difese inducibili
Difese inducibili
soppresse
Difese indotte
diminuite
Difese costitutive
Detossificazione
Evitazione
Molto evidente
Poco evidente
Pochissimo o per
nulla evidente
Strategie aggressive di erbivoro e loro conseguenze
schema di Rhoads (1985) modificato da Karban e Agrawal (2002)
Erbivori
Poco
aggressivi
Strategie
Scelta
Tattiche
Impiegate
da erbivori
Evitare l’attrazione
Opportunisti
Dinamiche
delle
popolazioni
risultanti
Popolazioni
variabili
Cambiamenti nella
Metabolizzazione
morfologia e fisiologia Detossificazione
dell’erbivoro
Molto
aggressivi
Manipolazione
dell’ospite
Cambiamento della Furtivi
nutrizione e della
difesa dell’ospite
Popolazioni
basse e
invariabili
Prince (1990, 1992) descrive una dicotomia tra
erbivori latenti e eruttivi
Erbivori latenti (Le popolazioni non esplodono numericamente)
Le risorse di alta qualità sono scarse
Questa scarsità causa la scelta delle femmine ovideponenti, che risulta in
un adattamento della linea biologica includente un’ alta specificità nell’uso
dell’ospite
Emigrazione dai luoghi ad alta densità
Dinamiche della popolazione: latente
Erbivori eruttivi
Risorse alimentari di più bassa qualità
Femmine che mancano di abilità a fissare o a scegliere ospiti di
qualità
Queste caratteristiche biologiche permetto alla popolazione di
diventare, qualche volta, molto grande
La chiave di distinzione secondo questo modello è se le
femmine fissano e rispondono alla qualità delle risorse
Modello delle strategie aggressive dell’erbivoro e
loro conseguenze definito da Prince (1990)
Sindrome
Risorse
consumate
Scelta?
Caratteristiche
biologiche
Dinamica della
popolazione
Erbivoro
latente
Alta qualità
Scelte delle
femmine
ovideponenti
Alta specificità
dell’ospite
Emigrazione per
Alta densità
Relativamente
Basso numero
Bassa variazione
Erbivoro
eruttivo
Più bassa
qualità
Le femmine non
possono valutare
la qualità o
scegliere
Bassa specificità
dell’ospite
Bassa dispersione
Può pervenire a
Alti numeri
Alte variazioni
In questi due modelli la scelta della pianta ospite è un
determinante importante della biologia e della dinamica di
popolazione dell’erbivoro
Rhoades (1985)
E’ più dettagliato circa le strategie e le tattiche dell’erbivoro
Prince (1992)
Non sviluppa una distinzione tra le strategie dell’erbivoro,
anche se ci sono esempi di
Erbivori latenti che mostrano una forte correlazione tra
preferenza di ovideposizione e rendimento della larva
Erbivori erutivi che mancano di esibire una scelta o di dimostrare
una correlazione positiva tra preferenza per un ospite e
rendimento su quel ospite
Il concetto su cui si basa questo modello è supportato da
esempi in letteratura dove, per altro, si trovano anche fatti
contrari che però non negano la validità del modello
Karban e Agrawal (2002) descrivono una teoria di
aggressività degli erbivori
La scelta
Rhoades e Prince enfatizzano l’importanza della scelta
Karban e Agrawal sottolineano che molte difese delle piante
diventano efficaci solamente se l’erbivoro fa una scelta appropriata
invece che sofisticata (Anticipare le proprie decisioni prima che
venga risolta ogni incertezza)
– Le piante che avvelenano i loro erbivori non hanno
necessariamente un benessere più elevato delle altre
– Gli erbivori avvelenati riducono meno il benessere delle piante
degli altri erbivori
– Le difese che impediscono all’erbivoro di mangiare sulla pianta
ne aumentano le prospettive
– Le difese che agiscono prima di un danno efficace alla pianta
saranno più efficaci di quelle che agiscono dopo l’ingestione
» Le difese beneficiano molto delle strategie pre-ingestione,
perché l’erbivoro può essere dissuaso
– Gli erbivori a differenza delle piante possono derivare un
beneficio da strategie pre- e post-ingestione
continua
La selezione
– Può favorire le piante che rispondono al rischio degli erbivori
– Può favorire gli erbivori che valutano la qualità della pianta e la
scelgono in accordo con questa
•
Le caratteristiche che permettono all’erbivoro di accertare la
qualità della pianta possono beneficare sia l’erbivoro che la
pianta
•
La pianta può dare una reale informazione ai loro erbivori sul
suo livello di difesa
– In autunno la colorazione brillante delle foglie di una pianta
ospite non la indica come un ospite molto buono
» Gli afidi che depongono la progenie sulle foglie di
acero scelgono piante dove queste sono di colore
giallo o arancione ed evitano quelle dove sono rosse
Aggressione dell’erbivoro e plasticità adattativa
– L’aggressività dell’erbivoro può operare prima
o dopo l’ingestione della pianta ospite può
essere
• Plastica
– Dipendendo dall’ospite o da altre condizioni
• Fissa
• La plasticità fenotipica, in teoria, può massimizzare
il benessere in ambienti variabili
• Un erbivoro può manifestare plasticità
– Attraverso due vie
• Scegliendo quali risorse esplorare
• Alterando la propria morfologia e fisiologia
• Gli erbivori possono essere plastici
– In entrambe le vie
• Es. Enzimi inducibili di erbivori generalisti
– In nessuna via
– In una categoria e non nell’altra
Le tattiche aggressive se sono plastiche
conducono ad alcune previsioni
• Prima via
– Gli erbivori Generalisti
• In genere aggiustano le loro caratteristiche agli
ospiti di cui si nutrono
– Alcune caratteristiche non sono plastiche come
» Gli enzimi salivari
» Le camere filtranti degli omotteri
– Gli erbivori Specialisti
• Probabilmente non sono plastici
• Seconda via
– Le caratteristiche aggressive che non sono plastiche molto spesso
sono associate con le risorse delle piante altamente prevedibili
dall’erbivoro
• Questo è particolarmente vero per le caratteristiche postingestione
• Una volta che il cibo è ingerito se la morfologia e la fisiologia
dell’intestino non sono plastici, il cibo è meglio prevedibilmente
palatabile e nutritivo
– Le caratteristiche aggressive che sono plastiche coinvolgono risorse
imprevedibili
• Le larve del lepidottero monarca tagliano le vene delle piante
lattiginose solo quando il volume del lattice e la sua pressione
nella pianta sono alte
• Terza via
– Caratteristiche aggressive che operano in pre-ingestione
specialmente per le caratteristiche non plastiche
– Un erbivoro ha meno opportunità di manipolare il proprio ospite una
volta ingerito
– Le piante intatte, giovani e a rapida crescita sono le più inducibili e le
più manipolabili da parte dell’erbivoro
Costi e limitazioni dell’aggressività negli erbivori
– Costi e benefici
• L’aggressività per l’erbivoro è un costo
– Uno dei più grandi costi della mancata scelta è che molte piante ospiti
suscettibili sono rifiutate
• L’abilità a riconoscere alcuni alimenti può andare a scapito del riconoscimento di
altro cibo o di potenziali altri stimoli
• I sistemi enzimatici che rispondono a costituenti del cibo comportano un
potenziale assegnazione di costi
• I simbionti determinano un costo agli erbivori
– I simbionti batterici negli afidi ne aumentano la fecondità mentre riducono
altri aspetti del benessere
• Il taglio delle vene delle piante lattiginose rende l’erbivoro ben evidente ai loro
predatori e alla sfida fisica degli essudati attaccaticci
• L’alimentazione gregaria aumenta
– La competizione intraspecifica
– L’attrazione dei predatori
– La probabilità di indurre risposte dalla pianta
• La sequestrazione di prodotti chimici della pianta è una spesa
– Migliorare le misure dei costi e dei benefici di tattiche aggressive in termini
di prestazione e benessere migliora
• La possibilità di predire il risultato della interazione ecologica e la coevoluzione
Aggressività di erbivoro categorizzata per plasticità e tempo di azione (Karban
e Agrawal 2002)
Pre-ingestione
Post-ingestione
Caratteristica plastica
Comportamento di scelta
Invasione, affienagione di ospiti
selezionati
Dieta mista, erudizione
Enzimi inducibili, morfologia
Caratteristica non plastica
Nessun comportamento
discriminatorio
Irritante e foglie arrotolate
Enzimi salivari
Fisiologia, morfologia fisse
Sequestrazione
Simbionti digestivi interni
Caratteristica plastica
Generalista
Risorse imprevedibili
Può essere aggressivo
Generalista
Risorse imprevedibili
Meno aggressivo
Caratteristica non plastica
Più specializzato
Risorse prevedibili
Molto aggressivo
Più specializzato
Risorse prevedibili
Meno aggressivo
A Esempi di tattiche offensive
Quando la caratteristica lavora?
B Preredizione
Quando la caratteristica lavora?
Riconoscimento della pianta
ospite
Le ipotesi
Nel 1920 Brues indica l'esistenza di "un istinto
botanico"
– Suggerendo che le piante forniscono agli erbivori i
messaggi chimici di identificazione
• L’accettazione di una particolare pianta da parte
di un insetto è correlata
– Alla composizione nutrizionale
– Alla nicchia ecologica della pianta in un
determinato ambiente dell’insetto
Nel 1959 Frankel formalizza il concetto di
prodotti secondari delle piante
– Come "stimoli segnale" evoluti come meccanismi
della difesa botanica
• Questa affermazione è corroborata dal modo non
corretto di sostenere che un prodotto secondario come
l'olio di senape e il suo glucoside precursore
(glucosinolato) stimolino invece che prevenire l'attività
trofica dell'erbivoro
fotosintesi
Metabolismo primario del carbonio
eritroso 4-fosfato
fosfoenolpiruvato
ciclo dell’acido
tricarbossilico
3-fosfoglicerato
piruvato
acetil CoA
acidi aminoalifatici
via acido
sicimico
via acido
malonico
via acido
mevalonico
acidi amino
aromatici
prodotti secondari
contenenti nitorgeni
composti fenolici
Metabolismo secondario del carbonio
terpeni
via MEP
Nel 1960 Thoestrinson e nel 1965 Kennedy
• Sostengono che la selezione dell’ospite è la
conseguenza
– Della risposta dell’insetto ai prodotti fitochimici
nutrienti e non nutrienti della pianta
• La loro teoria deriva dal fatto che molti insetti
sono stimolati a mangiare da carboidrati
vitamine e amminoacidi
Nel 1975 Heftmann e nel 1976 Seigler e
Prince hanno dimostrato come
– Le sostanze secondarie abbiano più una
funzione primaria che secondaria
• In quanto funzionano come regolatori di
importanti processi biochimici della
pianta
Nel 1970 Whittaker
• Indica i prodotti secondari della pianta come Allelochimici
– Definiti come sostanze chimiche non nutrienti prodotte
da un individuo di una specie che influenzano la
popolazione di un’altra specie a livello
• Della crescita
• Della salute
• Del comportamento o della biologia
• Gli Allelochimici possono funzionare come
– Allomoni che rappresentano i prodotti della pianta che
funzionano verso l’insetto come deterrenti, repellenti o
inibitori di alimentazione e ovideposizione
– Cairomoni che rappresentano i prodotti della pianta che
attirano, arrestano o stimolano l’alimentazione e
l’ovideposizione dell’insetto
La questione centrale è rispondere alla
domanda
• Quale è il codice sensoriale per il quale il
sistema nervoso centrale distingue una pianta
da un'altra?
Si può sostenere che i recettori gustativi caratteristici
hanno fatto pensare che
– Un modello di attività multirecettiva, costituisca il codice
base per la ricognizione e la discriminazione di piante da
parte dell’insetto
• I recettori gustativi mascellari di Manduca hanno un
comportamento discriminatorio tra tre differenti piante
alimentari preferite
• La risposta gustativa di Manduca consiste in un periodo
fasico di circa 150 msec. seguito da uno prolungato, di
3-5 min, che si adatta lentamente al periodo tonico
– Nel periodo fasico solo un recettore risponde
» Così quando è attivato il recettore deterrente
Manduca non inizia a mangiare e viceversa
– Nel periodo tonico viene esibito un consistente
modello che porta informazioni sulle qualità
gustative della pianta
Il sistema sensorio mostra che l'idea
originale in cui il comportamento
– E’ inteso in termini di eccitazione di specifici
recettori
• E’ solo parzialmente corretta
Esempio Lymantria dispar
Non possiede un recettore che viene eccitato dall'acido
tannico a concentrazione equivalente al massimo osservato
nelle piante
• Quello che in effetti l'acido tannico fa è di inibire i recettori
dello zucchero similmente alle quinine, diperidine e caffeina
• L'inibizione di recettori gustativi da parte della attività di
certi tannini a concentrazione fisiologicamente significativa
è reversibile e dipendente dalla concentrazione
• L'inibizione può essere bloccata
– Dall'incremento di concentrazione dello zucchero in
misture stimolanti
» Questo fatto al contrario può essere controbattuto
per incremento della concentrazione dell'inibitore
• I tannini e alcaloidi, a lungo concepiti come deterrenti
possono, in rapporto ai loro effetti inibitori essere
– Percepiti da alcuni insetti solamente come l'assenza dello zucchero
La preferenza
È espressa come
Quantità di cibo consumato
Velocità con la quale è ingerito
La palatabilità
È determinata
Dalla quantità di lavoro fatto
Dalle avversità tollerate
I fattori che determinano la palatabilità sono
Le condizioni delle intensità degli stimoli alimentari olfattivi e
gustativi
L'intensità di repellenti e deterrenti
Lo stato metabolico dell'animale
• Che include il grado di privazione di specifiche deficienze del
regime dietetico
Il Malessere
Gli Insegnamenti acquisiti come risultato
• Di precedenti esperienze alimentari
• Delle influenze parentali e culturali
La palatabilità di un composto è data
• Dalla sua concentrazione
– Il carattere delle relazioni concentrazioni/risposta è descritto da curve
a sigmoide
• L'espandersi delle curve sopra la portata media varia in relazione
al composto
• La risposta ad alcuni composti è caratterizzata da curve
bimodali, che rappresentano
– L’accettazione ad un livello di concentrazione e il rifiuto ad un
altro livello di concentrazione
» Cloruro di sodio ed etanolo ricadono in questa categoria
di composti
• Dagli altri composti con cui è mescolato
– Due piante con eguale concentrazione di identici alcaloidi possono
differire marcatamente nella palatabilità
• Perché differiscono nella concentrazione di altri composti
La palatabilità del cibo è una funzione del
rapporto tra fattori positivi e negativi
– Tutti i cibi contenenti fattori positivi se
presenti da soli stimolano l'alimentazione
– Tutti i cibi contenenti fattori negativi se
presenti da soli possono prevenire
l'alimentazione
Il test di palatabilità più rigoroso è quello basato su
una scelta multipla
Perché in questo modo l'animale può
• Comparare la palatabilità di ogni cibo entro un
tempo breve
• Comparare il tempo dell'attività di post-ingestione
a un comparativo di basso riflusso
• La dieta sulla quale un largo numero di
insetti sostano è detta “la preferita”
– Un semplice movimento a caso, influenzato
dagli stati metabolici, che agiscono sui centri
locomotori, mantiene molti animali
• Su di un cibo adeguato senza che sia stata
esercitata alcuna selezione basata su
informazioni sensorie
L’Apprendimento da una esperienza
precedente è
– La ritenzione su una preferenza che
ha due effetti opposti
• Induzione
• Avversione
.
L’induzione è quel processo per cui
.
– l'ingestione di un particolare cibo per un periodo
di 24 ore o più crea
• Una preferenza per quel cibo su altri che in
precedenza sono stati accettati allo stesso modo
L'induzione può avvenire solamente entro
– Un insieme di diete geneticamente determinate
L’avversione è un processo contrario alla induzione
– Larve polifaghe di Lepidotteri Arctidi dopo essere state
male su una pianta altamente palatabile, Petunia hybrida
• Una volta ristabilitesi ne consumano meno, in una situazione di
scelta possono rifiutare la pianta
– Larve oligofaghe di M. sexta se sono indotte fortemente su
Solanum pseudocaspium e poi fatte ammalare sulle stesse
piante con una dose subletale di insetticida
• Una volta che si sono rifatte mostrano una limitata
avversione verso la pianta
L'avversione al cibo può essere
– Vantaggiosa per gli insetti generalisti
– Meno vantaggiosa agli i insetti specialisti che sono frenati
nella scelta di piante potenzialmente dannose
• Da sensori determinati geneticamente
• Dal sistema nervoso centrale filtratore di informazioni
• L’apprendimento associativo più elevato
– Ha un ruolo maggiore nel condizionamento
del comportamento alimentare specialmente
quando è relativo al foraggiamento
• L’apprendimento per influenze parentali
– I genitori possono influenzare le scelte dei
giovani, relativamente agli alimenti, solo
quando essi sono ancora dipendenti
Una importante componente delle influenze
culturali tra gli insetti fitofagi oligofagi è
– La predeterminazione iniziale delle larve indotte
ad alimentarsi su particolari specie di piante
dovuta alla preferenza di ovideposizione degli
adulti
Chrysolina brunsvicensis
Schistocerca americana
Euphydryas spp
Grammia geneura
Uroleucon ambrosie
Bemisia tabaci
Delia radicum
Taemiapoda eques
Lymantria dispar
Ricerca della pianta ospite
La selezione di una pianta ospite adatta
pone agli insetti due principali sfide
– La detenzione e localizzazione della
pianta ospite a distanza
– La conferma delle proprietà della pianta
in termini di specie e quantità
I principali comportamenti di ricerca
negli insetti sono
– La ricerca a caso (random)
– La ricerca diretta
Ricerca a caso (random)
Quando il ricercante ha
– Una frequenza, un tasso e una direzione di movimenti
• Che appaiono non correlati alla propriatezza delle piante entro la percentuale
disponibile all’insetto
– La generazione dei movimenti a random viene spiegata
• Dal funzionamento dei programmi del motore centrale
localizzato nel sistema nervoso centrale
– Come un insetto diventa motivato alla ricerca del cibo
questi programmi vengono attuati e l’insetto può iniziare
a camminare o a volare a caso durante la ricerca
– I movimenti di esplorazione possono essere performanti
per aumentare la probabilità che una risorsa sia scoperta
lungo il percorso
– Questo tipo di ricerca può essere la migliore opzione possibile
quando
• I segnali dell’ambiente sono forniti senza una direzione
• La capacità sensoria dell’insetto è insufficiente ad ottenere gli
stimoli richiesti
Ricerca diretta
• Quando la pianta ospite emette segnali che da soli o
combinati con un secondo segnale permette che
• La direzione sia percepita dal sistema sensorio dell’insetto
cercante
– In questa situazione il movimento
• E’ diretto da informazioni sensorie su segnali esterni che
possono essere anche sotto l’influenza di programmi del motore
centrale
• In un area relativamente calma gli insetti rispondono a
gradienti dell’odore della pianta per chemiotassi positiva
seguendo una delle due vie seguenti:
– Confronto temporale delle informazioni provenienti dai recettori
olfattivi
– Comparazione degli imput sensori provenienti simultaneamente da
un paio di sensori olfattivi bilaterali
Insetti che sono stati visti ricercare sia a random che
in modo diretto
– Dendroctonus brevicomis e Ips paraconfusus ricercano a
random
– Ips typographus localizza le piante danneggiate o
ammalate
• Orientando i sui movimenti su le sostanze volatili rilasciate dalle
piante quando si trova a distanza di alcuni metri da queste
– Plutella xilostella ricerca sia con il sistema random che con
quello diretto
• L’insetto inizia la ricerca volando a caso sulla
vegetazione
• L’insetto muta il comportamento in ricerca diretta
quando sono individuati odori favorevoli a breve
distanza dalla sorgente
– Il movimento verso gli odori è dato da una combinazione di
anemotaxi condizionata dagli odori fino all’atterraggio
L’insetto come usa il segnale chimico nel ritrovamento
della pianta?
•Le risposte alternative sono due
– L’eccitazione dovuta al pennacchio di odore che innesca uno stato di
prontezza verso la risposta ad alcuni ulteriori stimoli
• Delia radicum si orienta controvento e decolla solo in seguito a una
stimolazione proveniente dall’odore dell’ospite
• L’insetto dopo voli di 50-150 cm atterra, si riorienta velocemente
controvento e poi decolla
• Nel caso in cui il pennacchio odoroso venga perso durante il volo, il
dittero rimane a terra fino a quando non riesce a percepire l’odore,
una volta percepito decolla e riprende la ricerca della pianta ospite
– L’eccitazione dovuta al pennacchio di odore che agisce come un
attivatore per il volo e l’orientamento dopo il decollo
• Sulla femmina di Manduca sexta l’odore della pianta agisce come
un attivatore per il volo
– Inducendo la farfalla a decollare da una condizione di riposo o
di deambulazione
» La farfalla una volta in volo procede a zig-zag per evitare
la perdita del pennacchio odoroso
Quali sono le caratteristiche ottiche delle piante
ospiti che selezionano il comportamento del fitofago?
• Il colore
– Delia radicum ad esempio riceve una indicazione all’atterraggio
da una foglia artificiale quando è dipinta con colori che mimano
la riflessione della pianta ospite
– Trialeurodes vaporariorum conta
» Sulla visione per identificare inizialmente la pianta ospite
dalle altre
» Sugli stimoli olfattivi della pianta entrano in gioco solo
quando l’insetto è molto vicino alla pianta
– Aphis fabae atterra preferibilmente sulle foglie gialle.
» Perché risponde alla lunghezza d’onda della luce gialla
(560-580 nm) e non al giallo
• La dimensione
– Mamesta brassicae risponde alla grandezza di un target
artificiale e non alla sua forma
• La forma
– Mamesta destructor è sensibile alla forma del target
Processi di accettazione della
pianta
Valutazione delle caratteristiche esterne della pianta da parte
dell’insetto
• Quando l’insetto arriva su una pianta e la tocca entra nella fase di contatto con la
pianta trovata
• Allora si innescano una serie di comportamenti che servono a valutare le
caratteristiche fisiche e chimiche di una pianta
– La locomozione dell’insetto si blocca e i movimenti si restringono a una
piccola area sulla superficie della pianta
• Questo fatto è considerato come “arresto” durante il quale le strutture
della pianta guidano i movimenti del camminare dell’insetto
– Un insetto che cammina può salire lungo il fusto della pianta e
iniziare a muoversi in piccoli circoli sopra la sua superficie
– In questo modo valuterà la pianta attraverso un contatto ripetuto
fatto con
» Le zampe
» Le antenne
» Le appendici boccali
» L’ovopositore
• E’ in questa fase di “arresto” che l’insetto valuta le caratteristiche della
pianta analizzando
– La superficie morfologica
– La tessitura
– La struttura cerosa
Le caratteristiche esterne
• I tricomi possono dissuadere o attrarre insetti
– I lunghi tricomi riducono gli atterraggi di Epilachna
varivestis su soia
– I tricomi ghiandolari della patata selvatica boliviana
Solanum berthaultii producono un fagodeterrente attivo
nei confronti di Leptinotarsa decemlineata
• La pubescenza
– Impedisce la penetrazione dell’epidermide
– Aumenta l’accettazione da parte di certe piante ospiti
verso alcuni fitofagi
• Le femmine di Helicoverpa zea si accoppiano più
facilmente su superfici pubescenti delle foglie di mais
• I componenti lipidici
– Dello strato ceroso della epicuticola della pianta ospite sono importanti
mediatori tra fitofago e piante ospiti
• Aphis fabae inizia la penetrazione degli stiletti molto prima su Avena
sativa privata delle loro cere epicuticolari che su piante intatte
– La struttura cristallina della cera di Avena sativa può essere rilevata
dai sensilli meccanorecettori
– I lipidi epicuticolari funzionando come allelochimici vengono rilevati
dai sensilli chemiorecettori dell’insetto
– La presenza di particolari cere epicuticolari sulle foglie dell’avena
funzionano da fagodeterrenti verso l’afide
• Plutella xylostella che si ciba di brassicacee (crucifere)
– Quando incontra cultivar resistenti in confronto a cultivar suscettibili
spende
» Molto tempo a camminare
» Meno tempo nella palpazione
– La differenza nel comportamento alimentare è dovuta a differenze
della superficie cerosa sulle due cultivar
» Le cultivar resistenti rispetto cultivar suscettibili hanno
più alcoli primari e terpenoidi
L’insetto dopo che ha valutato le caratteristiche
esterne (fisiche) della pianta
– Mette in atto il test di assaggio (o di sondaggio se
l’insetto è un fitomizo) dei tessuti
– Un test di assaggio è tipicamente più piccolo
che un morso regolare
• Il materiale della pianta può essere tenuto
nella cavità preorale per un periodo di tempo
più lungo in confronto alla durata che segue
la presa regolare del cibo
Le caratteristiche interne della pianta
•Le cellule delle piante contengono un elevato numero di
composti chimici che funzionano differentemente come
• Fagostimolanti
• Fagodeterrenti
– I nutrienti
• Sono i principali fagostimolanti rilevati durante il “test di assaggio”
– Tra gli zuccheri il fruttosio e il saccarosio sono fagostimolanti
a differenza dei pentosi
– I composti secondari
• Quando sono in bassa concentrazione forniscono indicazioni a
insetti monofagi e oligofagi (specialisti) per la ricerca dell’ospite
giusto
– I glucosidi iridoidi caratterizzano le piante ospiti di Junonia
conia (lepidottero) e agiscono come
» Fagostimolanti
» Stimolanti l’ovideposizione
Dendroctonus brevicomis
Plutella xilostella
Epilachna varivestis
Ips paraconfusus
Aphis fabae
Helicoverpa zea
Ips typographus
Mamesta brassicae
Junonia conia
Processo di accettazione dell’ospite
Fasi del
comportamento
dell’insetto
Caratteristiche della
pianta
Odori
Orientamento
Contatto
Odori di
superficie
Feeding
Nutrienti
interni
Riproduzione
1
2
3
4
Piante non ospiti
5
6
7
Pianta ospite
8
9
10
Piante non ospiti
Metaboliti
secondari
(Fagodeterrenti)
(Fagostimolanti)
La teoria degli ”atterraggi
appropriati/inappropriati”
Finch e Collier 2000
• Gli atterraggi avvengono sempre su superfici
verdi naturali e artificiali e quasi mai su
quelle brune
– Gli atterraggi appropriati sono quelli sulle piante ospiti
• Le piante ospiti su terreno nudo stimolano l’insetto ad
atterrarvi (appropriato) e così le piante ospiti avranno
l’effetto di concentrare gli insetti
– Gli atterraggi inappropriati sono quelli sulle piante non
ospiti
• Le piante ospiti circondate da piante non ospiti
possono stimolare l’insetto ad atterrare anche su
queste ultime (inappropriato)
– Il tempo che gli insetti rimangono sulla pianta non ospite
dipende dagli stimoli antagonisti che ricevono attraverso i
sensilli chemiorecettori tarsali e boccali
• Il sistema completo della selezione delle piante
ospiti coinvolge tre eventi susseguenti inestricabili
– 1° legame
• Governato dai suggerimenti dei prodotti chimici volatili delle
piante che, in quantità sufficiente a influenzare i sensilli olfattivi,
determinando più che la direzione l’arresto del volo
– 2° legame
• Governato dagli stimoli visivi
1°) Fototassi, una reazione diretta al colore della pianta
2°) Reazione optomotoria attraverso la quale l’atterraggio è
provocato dalla apparizione improvvisa della pianta lungo il
percorso di volo dell’insetto
Gli stimoli visivi, nella teoria, sono considerati la chiave per la
selezione della pianta ospite da parte degli insetti fitofagi
– 3° legame
• Governato dai suggerimenti dai prodotti chimici non volatili
delle piante che condizionano l’accetazione o il respingimento
degli insetti attraverso gli stimoli che ricevono attraverso i
sensilli tarsali
La teoria degli atterraggi appropriati/inappropriati espressa da Delia radicum nella ricerca
e accettazione della pianta ospite in presenza di una pianta non ospite (Trifolium spp).
1) I prodotti chimici volatili indicano all’insetto in volo che sta passando su una pianta suscettibile
2) L’azione primaria dei prodotti chimici volatili è quella di stimolare gli insetti ad atterrare
3a) Gli insetti che volano su piante che crescono su suolo nudo sono stimolati ad atterrare su piante
ospiti. Gli insetti che volano su piante ospiti (3a) circondate da piante non ospiti (3b) (trifoglio) in
proporzione alle aree relative occupate dalle foglie delle piante ospiti e non ospiti essendo
entrambe verdi non vengono discriminate dall’insetto
3b) Gli atterraggi su piante non ospiti sono classificati come “inappropriati
3c) La femmina accetta una pianta ospite e dopo che le ha compiuto attorno 4 voli a spirale da foglia a
foglia le depone vicino le uova
4) Gli insetti una volta che sono ancora in volo se sono stimolati ad atterrare dopo che hanno volato
una breve distanza 5) e 6) potrebbero atterrare su una pianta ospite
La femmina di Delia radicum ha maggiori probabilità di perdere la pianta ospite in un diverso ambiente
se ripete, in media, per 3 volte l’iniziale procedura di atterraggi appropriati/inappropriati
Particolare della figura precedente, a livello di 3c, che illustra come i diversi
ambienti influenzano l’accettazione della pianta ospite da parte di Delia radicum
Di 100 femmine che hanno atterrato su una Brassicacea circondata da
terreno nudo 36 hanno sono state stimolate a ovideporre
Di 100 femmine solo 7 hanno atterrato su una Brassicacea circondata da
Trifolium spp. In questa situazione poche femmine riescono ad ovideporre
perché durante le corte spirali una parte di queste atterrano sulle piante non
ospiti, mancano così di ricontattare la pianta ospite e quindi nel tempo
assegnato non accumulano sufficiente stimolazione dalla pianta ospite per
posarvisi
•
La barriera che l’insetto, Delia radicum, deve fronteggiare, quando la
pianta di Brassica è in ambienti diversi non è chimica ma
comportamentale perché durante la serie innata di voli a spirale il
dittero può continuare ad accumulare più stimoli positivi dalla pianta
ospite ogni volta che vi atterra
– La quantità di stimoli che la femmina raccoglie ad ogni
atterraggio è crucciale
• Questo è il momento dove la fase di ritrovamento della pianta (1°
legame) diventa veramente integrato con l’accettazione (3° legame)
della pianta ospite
– Il sistema completo realmente coinvolge ritrovamento e
reritrovamento della pianta ospite
• Alcuni individui possono accumulare una quantità sufficiente di
stimoli visitando solo 2 foglie di una pianta altamente stimolante o 6
foglie di una pianta scarsamente stimolante prima di ritrovare un
luogo accettabile dove deporre la uova.
• Altri individui possono accumulare sufficienti stimoli per mantenere
la propria ricerca ma insufficienti ad indurre l’ovideposizione e così
volano via
• Altri individui che visitano alcune foglie ma non riescono al
accumulare stimolo sufficiente in un determinato tempo e volano via
• Altri individui che inizialmente atterrano su una foglia stimolante e
poi su una non stimolante indipendentemente dal fatto che
appartenga ha una pianta ospite o non ospite, interrompono il tasso
di accumulo di stimoli positivi così da indurli ad andare altrove
• La competizione interspecifica diventa importante
durante la selezione di piante ospiti
– Molti nuovi immigranti possono non accettare una pianta ospite già
colonizzata da certi insetti che ne costituiscono l’entomofauna
• Lo stato fisiologico dell’insetto che dipende
– Dall’età
• Col tempo gli insetti diventano meno discriminanti nella scelta del luogo
di ovideposizione
– Dall’intervallo di tempo in cui è stato privato
• Di un ospite suscettibile all’ovideposizione
• Le condizioni della pianta
– Alcune piante di crucifere sono maggiormente preferite di altre e
durante la fase di crescita esponenziale alcuni individui diventano
altamente stimolanti gli insetti
– Le piante altamente stimolanti inducono l’insetto a visitare meno
foglie riducendogli la possibilità di compiere un inappropriato
atterraggio e stimolandolo a depositare più uova
• La teoria degli atterraggi appropriati/inappropriati è
valida per
– Gli insetti specialisti
– Gli insetti generalisti
• Per i quali il tempo di rimanere su una pianta è
determinato dai prodotti chimici non volatili che
recepisce dalla foglia su cui è posato
– Gli insetti generalisti
• Se sono stati stimolati ad atterrare dai prodotti chimici
volatili rilasciati da una determinata specie di pianta
possono continuare la ricerca di una tale pianta
invece di accettare la prima di queste incontrata
Come una pianta recepire
l’attacco da un erbivoro
Tocco, ovideposizione e
almentazione
• Tocco
– Per induzione meccanica
• I canali ionici della membrana plasmatica sono attivati per stiramento seguito da un rapido
cambiamento della “firma del CA++ citosolico”
• L’incremento della concentrazione di CA++ citosolico può innescare nella pianta un ulteriore
segnale di trasduzione che determina l’induzione di geni coinvolti nella difesa o nella crescita
della pianta
– Es. un tocco simulato su piante di grano induce la trascrizione di un gene codificante la
lipossigenasi, un enzime fondamentale per la via octadecanoide indotta da danno
• Setole e uncini sui tarsi delle larve che camminano sulle foglie possono infliggere piccoli graffi
che conducono ad una rapida sintesi dell’acido у-aminobutirrico (GABA) che ha un effetto
negativo sullo sviluppo, sul tasso di crescita e sopravvivenza delle larve di insetto
– La concentrazione di GABA nella foglia è maggiore più a lungo la larva vi ha
passeggiato sopra
– Il GABA nella difesa della pianta contro gli insetti agisce
» Regolandone pH citosolico, Proteggendola dagli stress ossidativi, Regolandone i
processi osmotici, Intervenendo nei segnali intrapiante e Intervenendo nel
bilanciamento C:N
– Per induzione chimica
• La pianta può anche rispondere ai prodotti chimici rilasciati dai tarsi degli insetti costituiti
principalmente da lipidi cuticolari
• Quando l’impronta contiene secrezioni addizionali la composizione chimica può
– Riflettere qualitativamente la struttura chimica generale della cuticola
– Differire dalla struttura chimica generale della cuticola
» In Locusta migratoria la secrezione tarsale differisce dalla chimica della cuticola
per la distribuzione degli acidi grassi e per contenere una fase acquosa (glucosio
e altri saccaridi)
• Le impronte degli insetti sono state studiate con rispetto a
– 1) Trasferimento di informazioni intraspecifiche tra piante visitate da insetti
– 2) Segnalazioni interspecifiche tra insetti erbivori e loro parassitoidi
– 3) Le funzioni adesive delle secrezioni tarsali da cuscinetti adesivi fibrillari o lisci
• Ovideposizione
– La pianta può rilevare la ovidepozione degli insetti sulle foglie come il risultato di un
contatto persistente delle uova
– L’ovideposizione senza ferita induce gli elicitori di difesa attraverso
• Il tocco fisico delle uova sulla superficie della pianta
• Le secrezioni che attaccano le uova alla pianta
– Questi possono permeare la cuticola cerosa della pianta e entrare nelle
cellule
– L’ovideposizione con ferita
• Ferimento della foglia per attività alimentare della femmina gravida che poi
depone le uova sul tessuto sano della stessa
• Ferimento della foglia per rimuovere l’epidermide per favorire l’adesione delle
uova
• Dissezione foglia per inserire le uova nel tessuto della pianta con l’ovopositore
morfologico
– Presumibilmente per proteggere le uova dal disseccamento
– Le uova inserite o deposte su tessuti feriti non innescano di per se una reazione
difensiva delle pianta che succede quando una secrezione accompagna le uova nei
tessuti ferite
– La deposizione delle uova induce una risposta specifica per la specie di pianta e di
insetto
• Es. Neodiprion sertifer su pino silvestre emette un prodotto chimico volatile che
chiama il parassitoide oofago Closterocero ruforum specializzato verso uova di
Diprionide su pino. Gilpinia pallida altro ospite di C. ruforum non determina
l’emissione dello stesso prodotto chimico volatile
– Parassitoidi generalisti di uova che rispondono ai cambiamenti delle piante indotti
dalla ovideposizione possono adattarsi fenotipicamente alle specifiche difese della
pianta attraverso l’apprendimento specifici segnali
Neodiprion sertifer
Diprion pini
Gilpinia pallida
Closterocero ruforum
Pyrrhalta luteola
•
Elicitori associati all’ovideposizione
– Bruchins (acidi 3-idrossipropanoico mono e diesterificato con monoinsaturato
C22-diolo o mono- o dinsaturatoC24-diolo) sono elicitori della difesa diretta
contro i coleotteri bruchidi
– Cianuro di benzile è un elicitore della difesa della pianta associata
all’ovideposizione di Pieris brassicae e fa parte della secrezione delle ghiandole
accessorie che accompagna l’ovideposizione
• La sua presenza cambia la chimica della superficie della foglia questo
cambiamento aumenta il successo dei parassitoidi oofagi nel
ritrovamento dei loro ospiti
– Proteinacei elicitori di difesa indiretta della pianta associata all’ovideposizione
• La secrezione che ricopre le uova di Diprion pini e Pyrrhalta luteola
contiene l’elicitore che richiama i parassiti oofagi
– Una pianta può valutare quante uova sono state deposte
• La femmina di P. luteola distinguere i prodotti chimici volatili prodotti da
piante con un pesante carico di uova da quelli prodotti da piante con un
basso carico di uova
– Tale differenziazione olfattiva per il coleottero richiede il rilascio di
una miscela di composti chimici volatili qualitativamente e/o
quantitativamente diversi in risposta al differente carico di uova
• Alimentazione
–
–
–
–
Gli erbivori rilasciano rigurgiti nelle ferite delle piante che elicitano risposte difensive
• La risposta trascrizionale è specifica al composto elicitore rilasciato da un particolare
erbivoro aggressore
Differenti specie di piante possono rispondere differentemente al medesimo elicitore
• La risposta della pianta alla attività alimentare di uno specifico erbivoro può essere il
risultato della combinazione
– Dello specifico danno fisico dell’erbivori
– Dal tipo e dalla quantità di elicitori rilasciati durante l’alimentazione
Elicitori applicati a tessuti di piante ferite induce alla produzione di
• Fitormoni congiunti alla difesa
• Composti chimici volatili che attraggono i nemici degli erbivori
Elicitori
• Volicitina
– Parte dell’acido grasso deriva dalle piante
• Acidi grassi
– Acido linolenico, acido 17-idrossilinolenico e derivati
• Amminoacidi
– Acido L-glutammina o acido L-glutammico
– Amminoacidi coniugati (FACs)
» Il rigurgito di larva di Manduca sexta (N-linolenoil-L-glutammina; N-linolenoil-Lglutammato)
» Induce la difesa diretta (Inibitore della tripsina proteasi) e indiretta (Induzione di
prodotti chimici volatili)
• Calciferini (acidi grassi α-idrossi solfato saturi o moninsaturi)
– Trovati nel rigurgito di Schistocerca americana, induce lla pianta a produrre composti
chimici volatili)
• Incepitins (derivati da chloroplastic ATP sntetasi per parziale proteolisi nell’intestino)
– Nel rigurgito di Spodoptera frugiperda che contiene Incepitins aumenta la produzione
di JA e SA
Resistenza inducibili da
erbivoro nella pianta
Resistenza inducibile ritardata (DIR)
– Influenza gli erbivori della generazione successiva o nell’anno
successivo
• Spesso è associata ad una risposta passiva alla perdita di
nutrienti durante la defogliazione
Resistenza inducibile rapidamente (RIR)
– Influenza l’erbivoro corrente durante la sua vita
• E’ localizzata, ristretta alle aree attorno all’erbivoro
• E’ una risposta di ipersensibilità di cellule localizzate
– Queste muoiono per prevenire le conseguenze dell’attività
del fitofago
Resistenza sistematica acquisita (SAR)
– Tutta la pianta risponde all’erbivoro
– Ecologicamente della induzione di SAR contro i patogeni da parte
di insetti che stanno mangiando è considerata una evoluzione per
gli insetti nella loro competizione con i patogeni per le sorgenti di
cibo
Risposte indotte da erbivoro
nella pianta
• L’induzione è una sorgente addizionale di
variabilità
– Una risposta rapida di quelle piante o parti di pianta
che sono sotto l’attacco di erbivori
• Le risposte indotte nelle piante
– Creano variabilità nel cibo incontrato dagli erbivori
– Alcune piante rispondono molto poco agli erbivori
– Altre producono alti livelli di tossine
• La risposta indotta nelle piante
• Nei diversi tessuti
• Nei tessuti in differenti stadi di sviluppo
– Produrrà variabilità entro singole piante
• Le risposte indotte possono creare una variabilità
temporanea
– Fatto esemplificato dalle piante danneggiate che
diventano più variabili del controllo non danneggiato
• Le risposte indotte possono creare variabilità
speciali
– Esemplificate dai cambiamenti localizzati in particolari
tessuti che ricevono il danno
• Le risposte indotte non sono solamente risorse di
variabilità in fenotipi resistenti
– Infatti le piante come tali sono costitutivamente variabili
• Per esempio differenti tessuti di una pianta hanno differenti
nutrienti e differenti composti chimici secondari che danno
– Una variabilità costitutiva nello spazio
– Una variabilità costitutiva nel tempo data dallo sviluppo della pianta
» Può fornire una sorgente addizionale di molti dei benefici
descritti come variabilità indotta
• Le risposte indotte
– Produzione di tricomi nelle foglie
• Alcune specie di piante rispondono all’attacco di erbivori aumentando il numero
e/o la densità di tricomi nelle nuove foglie
– L’incremento indotto di tricomi può essere espresso solo in foglie sviluppatisi
durante o susseguente all’attacco
» La produzione può manifestarsi, nelle nuove foglie entro giorni o
settimane dall’inizio dell’attacco
– La produzione di tricomi ha un costo infatti quando cessa il danno questa
manifestazione nelle nuove foglie cala molto rapidamente
» Una evidenza di ciò è data da esempi di trade-off (compromesso) tra la
densità dei tricomi e altre supposte difese come le spine
• Non tutte le piante sono indotte a produrre tricomi in seguito a danneggiamento da
erbivoro
• Non tutti gli erbivori inducono la produzioni di tricomi
• Gli insetti sulle piante così indotte spesso consumano meno fogliame e crescono
meno
• La risposta della pianta al danneggiamento da insetto dipende dal suo modo di
alimentazione (masticare, minare e perforare)
• La produzione di tricomi può deviare l’attività alimentare dell’insetto da parti
importanti per la pianta su altre che lo sono meno o su piante vicine non indotte
• In piante indotte con foglie basali più vecchie manifestano una diversa
distribuzione nella concentrazione di tricomi che risultano più abbondanti nelle
foglie nuove apicali
– In questa situazione l’attacco alle foglie basali è meno dannoso al benessere
della pianta
– Produzione di composti chimici
• Tannini
• Alcaloidi
• Glucosinolati
– Inibitori di proteine
• Terpeni
• Composti volatili
– Che attraggono predatori e parassitoidi
Complessità della risposta
molecolare indotta dall’insetto
• La complessità delle risposte difensive delle piante è
evidenziata dal coinvolgimento di elevato numero di
trascrizioni di geni
• Più di 80 geni di sorgo (Sorgum bicolor) furono trovati essere sopra o
sotto regolati da Schizaphis graminum un afide che si nutre del floema
• Una serie di 150 geni preselezionati di Arabidopsis furono regolati
differentemente dal danno provocato dalla alimentazione di larve
• Circa 500 geni risposero quando la pianta di tabacco (Nicotiana
attenuata) fu infestata da Manduca sexta
– Tra questi geni ce ne sono di due tipi
• Quelli che codificano proteine con funzionanti nella difesa (segnali di
difesa, metabolismo secondario, stress abiotico, manutenzione della
cellula e fotosintesi
• Quelli con funzioni sconosciute
– Molte delle complessità delle risposte difensive risultano dal cambiamento
delle espressione dei geni che non codificano prodotti direttamente coinvolti
nella resistenza agli insetti
• I geni della fotosintesi sono sotto regolati in risposta alla attività
alimentare di insetti
– Queste risposte, presumibilmente, permettono la riallocazione
prioritaria dell’energia alle risposte della difesa con soppressione di
meno importanti funzioni quando le pinte sono affrontate da insetti
Risposta della ferita e segnali
della ferita
Schema generalizzato di risposta alla ferita
Il ferimento conduce alla
attivazione della
espressione del gene in
entrabe le foglie ferite
(local) e non ferite
(systemic).
I profili della totale
espressione del gene sono
comunque differenti nelle
foglie ferite e no.
Il sommario mostrato degli
eventi segnalanti che
accadono nella foglia ferita
è il migliore modello
disponibile basato sulla
combinazione di dati
provenienti da molti
differenti sistemi.
Se gli eventi segnalanti che
succedono in risposta al
segnale sistemico sia lo
stesso di quello delle foglie
ferite non è chiaro
• Difesa
– Entro e nelle immediate vicinanze del luogo delle ferite meccaniche e da insetti si
deve pensare che c’è un elevato numero di cellule distinte a cominciare dal centro
della ferita distinte in
– Strato di cellule danneggiate irreparabili
• Rilasciano molte differenti molecole che possono agire sia come elicitori sia di
risposte in cellule vicine intatte o sia come tossine difensive
– Strato di cellule non danneggiate, confinanti con quelle danneggiate, in stato di stress
• Generano segnali da ferita
– Strato di cellule sane lontano dalla ferita
• Possono ricevere segnali generati dalle cellule attorno alla ferita
– Tessuti aerei lontano dalle foglie ferite possono ricevere e rispondere a questi segnali
– Le cellule intatte attorno all’area danneggiata
• Formano una barriera fisica coinvolgendo il rafforzamento della parete cellulare
attraverso
– Legami ossidativi incrociati delle pareti cellulari subito dopo il ferimento
– Sintesi nella parete cellulare di idrossiprolina ricca di glicoproteine che
hanno un ruolo strutturale quale le extensis
– Produzione di polimeri derivati dai fenoli
» Lignina e suberina coinvolte nella sigillatura della ferita per evitare
infezioni e perdita d’acqua
– Sintetesi del callosio, il polimero β-1,3-glucano più pronunciata nei pori
plsmodemici
» Per induzione del calcio che cambia l’attività dell’enzima cellulosa
sintetasi in callosio sintetasi
» Riduzione delle aperture plastodesmali
» Ridotti movimenti intercellulari di macromolecole
• Formano difese chimiche
– Metaboliti secondari
• Fitoalesine (flavonoidi, terpenoidi, alcaloidi, polyacetylenes,
Isoflavoni, ecc.) lignina e suberina
• Sintetizzati in seguito a ferita per una rapida induzione
coordinata di geni
– Calcone sintasi
– Fenilalanina ammoniaca-liasi
– Proteine
• Con attivita anti-feedant inibitori delle
– Proteine
– α-amilasi
– Polifenolossidasi
– Lectine
• Segnalanti
– Geni coinvolti nella generazione e percezione di segnali regolanti la risposta ai
ferimenti che non hanno un ruolo diretto nella difesa
– L’inducibilità di tali geni implica
• Segnali precoci che li regola
• Recettori per questi segnali primari presenti costitutivamente
– Le prime manifestazioni rilevate nelle foglie ferite comprende
– Il flusso di ioni attraverso la membrana plasmatica
– Il cambiamento della concentrazione del calcio nel citoplasma
– Generazione di specie di ossigeno attivo
– Cambiamento nei modelli di fosforilazione nelle proteine
• Tutti questi eventi accadono nei primi minuti che seguono il danno e non sono
probabilmente responsabili nella induzione dell’espressione dei geni della difesa
– Gli elicitori di risposte alla ferita che comprendono anche glicani della parete cellulari
(oligogalatturonidi e la sistemina) possono essere
• I segnali primari rilasciati sul danno cellulare
• L’amplificazione delle risposte delle foglie ferite
– Questi elicitori svolgono un ruolo chiave nella segnalazione sistematica
• I meccanismi proposti per la trasmissione di segnali a siti non feriti include
– L’attività elettrica
– Il trasporto attivo degli elicitori nel floema
– Il trasporto passivo degli elicitori attraverso il flusso di massa idraulico nello
xilema
– La espressine dei geni della difesa è mediata primariamente dalla sintesi e dall’azione
di JA, etilene, acido abscisico (ABA)
• I primi eventi di segnalazione delle
ferite
– Flusso di ioni
– Segnalzioni del Ca
– Specie di ossigeno attivo
– Fosforilazione delle proteine
– Green leaf volatiles (GLVs)
– Flussi di ioni
– Il rapido evento che segue il danno ai tessuti è serie di flussi
di ioni a livello della membrana plasmatica
• Patogeni, ferite, glicani e sistemina determinamo una rapida
depolarizzazione del potenziale elettrico della membrana
plasmatica a cui consegue
– Efflusso di ioni K+
– Afflusso di protoni
– Alcalinizzazione del mezzo extracellulare
• Questo flusso di ioni è fondamentale per la susseguente
espressione dei geni della difesa
– Es. La fusicoccina, una micotossina, che attiva l’H-ATPase
della membrana plasmatica e la iperpolarizza, è un potente
inibitore della espressione del gene indotto da ferita, glicane
e sistemina
• Il flusso di ioni che succede nella risposta da ferita meccanica
evoca un attività elettrica trasmissibile a lunga distanza
» Questo può essere causativo del segnale mobile nella
induzione della espressione genica a siti sistemici
– Segnalazioni del calcio
• Il ferimento è seguito da un rapido incremento della concentrazione di
Ca2+ citoplasmatici
– I Ca2+ sono un onnipresente e importante secondo messaggero di
ferita negli eucarioti
– I Ca2+ modulano gli elicitori che inducono l’espressione del gene
suggerendo un ruolo occasionale nella segnalazione
• Un ruolo supportato dal Ca2+ segnale nelle ferite è venuto dalla
identificazione di una serie di geni codificanti Ca2+ inducenti proteine
– Calmodulina è un bersaglio primario per Ca2+ in molti sistemi di
segnalazione
– Altre proteine che reagiscono alle ferite che sono coinvolte nel
segnale di trasduzione includono proteina-chinasi calmodulina
-dominio (EtCDPK) e calcineurin 2B omologo una subunità della
calmodulina-dominio della proteina fosfatasi 2B
• Il Ca2+ rilasciato dalla riserva interacellulare e la calmodulina possono
essere coinvolti nella regolazione differenziale della sintesi indipendente
e indipendente di JA
• Nel caso di sistemina indotta da un aumento di Ca2 + citoplasmatico in
cellule di pomodoro le sorgenti di Ca2+ intra- e extracelluare appaiono
essere coinvolte
• L’inabilità di JA a elicitare il flusso di Ca2+ indica che il segnale Ca2+ è a
monte della segnalazione di JA
• Ca2+ potrebbe quindi svolgere più ruoli nelle segnalazione da ferita
– Specie di ossigeno attivo
• La produzione di specie di ossigeno attivo include
– Il radicale superossido (O2)
– Il perossido di idrogeno (H2O2)
• E’ un evento precoce nella risposta delle piante alle ferite e a molti
altri stress biotici e abiotici
• Due fasi maggiori di produzione di specie di ossigeno attivo
succedono in risposta alla ferita
– Un ampio aumento di O2 e H2O2 si ha nei primi minuti che
seguono il ferimento del mesocarpo della zucca (Cucurbita
maxima)
– Un secondo più sostenuto aumento quantitativo di H2O2
succede al di sopra di un ora
– Questa seconda fase di produzione di H2O2 è correlata con
l’attività indotta da ferita della poligalaturonasi, in pomodoro è
indipendente da JA
» La poligalaturonasi può rilasciare OGAs endogena che
agisce come elitore di H2O2 in tessuti locali e sistemici
• L’induzione da ferita di H2O2 è prodotto dal superossido attraverso la
via superossidi desmutasi
• Questo scenario porrebbe in qualche modo porre H2O2 nella
catena di eventi che collegano il ferimento con la espressione
del gene di difesa
– Fosforilazione delle proteine
– Meccanismo onnipresente per la regolazione della attività delle proteine
• Uno di questi è impiegato comunemente in vie di trasduzione del
segnale includenti il ferimento
– Diverse proteine chinasi sono state identificate per essere indotte da
ferimento a cui consegue
• Incremento della l’attività proteica o dell’espressione genica includendo
– Una proteina chinasi indotte dall’acido abscisico e dalla glicogeno sintasi
chinasi -3 ( GSK -3) omologa
– Le funzioni di queste chinasi sono sconosciute ma comunque fanno parte
delle mitogeno-attivate proteina chinasi (MAPK) che hanno un ruolo chiave
nella segnalazione di ferita
» L’equivalente di proteine chinasi indotta da attività ferimento è stato
individuati nel tabacco sia biochimicamente che attraverso la
clonazione di un cDNA rappresentante un omologo MAPK cui si
accumula mRNA in risposta al ferimento
» Una simile attività di MAPK, entro pochi minuti dal ferimento, è stata
rilevata in Arabidopsis, pomodoro e erba medica
» La rapida attivazione di MAPK avviene anche nelle foglie sistemiche di
piante di tabacco e pomodoro ferite
» La MAPK indotta da ferita attiva la fosfolipasi A2 che rilascia dalla
membrana plasmatica l’acido linolenico substrato per la biosintesi di
JA
• Green leaf volatiles (GLVs)
– Composti a 6 atomi di carbonio prodotti via lipoxigenasi dai lipidi
della membrana cellulare
– Chimicamente sono per lo più aldeidi sature o monoinsature, alcoli
e esteri, tutti quanti con differenti isomeri che manifestano proprietà
sensorie diverse
– I GLVs possono rappresentare più del 50% delle emissioni dalle
parti di pianta danneggiate
– I GLVs sono rilasciati dalle parti di pianta danneggiate entro 1-2’’
dal danno meccanico
– Alcuni GLVs sono emessi da foglie più giovani di piante non
danneggiate
• Come (Z)-3-exenil acetato che sta ad indicare che la via
lipoxigenasi è stata attivata
– Molti GLVs non sono specie specifici
• Alcuni di questi composti possono
– Indurre la produzione di acido jasmonico
– Determinare l’emissione di mono- e sesquiterpeni in piante
riceventi intatte
– Determinare il comportamento di risposta nei parassitoidi
I composti organici volatili (VOCs)
– Sono emessi dalle piante nell’atmosfera a seguito della loro
volatilità senza un’apparente funzione
– Alcuni di questi VOCs sono diventati, a seguito di selezione
naturale, segnali per
• Protezione delle piante
• Comunicazione
I volatili organici delle piante indotti da erbivori
(HIPV) o composti organici volatili inducibili (IVOCs)
– Sono emessi dalle piante dopo il danno da erbivoro
– Sono sintetizzati de novo solo quando necessario quindi
• Sono economici in termini di uso del carbonio
• Non riducono il benessere della pianta
– Questi nuovi composti agiscono come una difesa indiretta
• Respingendo gli erbivori conspecifici
• Attirando predatori e parassitoidi degli erbivori
• Composti organici volatili delle piante conosciuti
indotti da erbivori (HIPV)
– Sono ampiamente diversificati e includono
• Alcheni, alcani acidi carbossilici e alcoli
– I composti dominanti sono i terpeni e C6 del GLVs
– Sono suddivisibili in due classi
• Composti rilasciati immediatamente (0-5’) dalle foglie
danneggiate meccanicamente (GLVs)
• Composti nuovi (molti terpeni) sintetizzati dopo il danno e
rilasciati alcune ore dopo che il danno ha avuto luogo
– Nelle piante di cavolo dove le piante sane emettono un VOC
costituito quasi al 100% di monoterpeni, una volta danneggiate da
erbivori la quantità di monoterpeni aumenta ma la percentuale sul
totale scende sotto il 60% perché è indotta la sintesi di nuovi
composti come omoterpeni e sesquiterpeni
Le strade biosintetiche conducenti al rilascio da parte delle piante di composti chimici volatili
• L’indolo conduce alla famiglia dei nitrogeni contenente prodotti difensivi (es. 2,4-deidrossi-7-metossi-1,4-benzoxazin-3one)
• I sesquiterpeni sono sintetizzati via l’intermediato isopentenil pirofosfato (IPP) seguendo la via mevalonato
• I monoterpeni e i diterpeni sono sintetizzati in una via IPP alternativa con precursori la gliceraldeide-3-P e il piruvato
• Gli omoterpeni (E)-4,8-dimetil-1,3,4-nonatriene e (E;E)-4,8,12-trimetil-1,3,7,11-tridecatetraene sono derivati
rispettivamente
da farnesil- e geranil-pirofosfato
• Green leaf volatiles è derivato dall’acido linolenico via acido 13-idroperossilinolenico. L’acido linolenico ossidato si può
dividere a formare due frammenti di 12 e 6 atomi di carbonio da cui prendono origine le varietà diGreen leaf volatiles per
multipli riarrangiamenti di six-carbon (Z)-3-hexenal
Esplosione di JA
I Segnali indotti da ferita che la via JA per la difesa della pianta
Segnali derivati da insetti (FACs), piante e tutti gli altri induttori prodotti in risposta al ferimento
che regola la sinstesi di JA o gli eventi regolati da JA in senso positvo (+) o negativo (-) (frecce
spesse)
Dipedendo dalle specie di piante alcuni segnali (es. etilene) possono esercitare effetti opposti
(+/-) sulla via JA
Le frecce sottili indicano che JA può modulare la produzione o l’azione di vari segnali da ferita
Tutti i segnali conosciuti mediati da JA richiedono COI1 (Coronatine Intensive 1)
ABA (acido absisico); NO (ossido nitrico); FACs (amminoacidi coniugati derivati dal grasso
degli insetti); OGAs (oligogalatturonici),
• Elicitori della espressione dei geni della
difesa
– Sistemina
– Etilene
– Acido abscisico
– Acido jasmonico e derivati (jasmonati)
– Acido salicilico e derivati
– Acidi oligalatturonici
• Sistemina
– 18-aminoacido polipeptide
– E’ una proteina critica nella produzione sistematica di
• Proteine difensive [proteinasi (PIs) e polifenolossidasi (PPO)] nel
pomodoro e in altre piante
– E’ originata per scissione proteolitica di un precursore polipeptide
• La prosistemina, un polipeptide di 200 amminoacidi residui, è presente,
a bassi livelli, nei tessuti fogliari
• Sulla ferita il citoplasma è esposto a proteinasi e l’attivazione della
prosistemina può avvenire per mescolamento
– Con altri contenuti di altri compartimenti cellulari (es. vacuoli)
– Con la saliva dell’insetto
– La sistemina attiva sia
• La sintesi del precursore polipeptide
• La sintesi dell’enzima richiesto per realizzarla
– La sistemina
• E’ il segnale sistemico primario entro la pianta
– La sistemina
• Localmente entro le cellule stimola la produzione dell’acido jasmonico in
seguito alla sua interazione con il proprio recettore, un proteina Mr
160,000, che attiva un sistema a cascata basato su lipidi
Ormone rilasciato da foglia ferita
sistemina
Esterno
della
cellula
erbivoro
Trasportatata attraverso il floema
in cellule bersaglio di altri organi
lipasi
Membrana
plasmatica
Lipidi della membrana
Acido linolenico libero
recettore
Biosintesi dell’acido jasmonico
Attivazione dei geni inibitori
di proteasi
citoplasma
Sentiero
segnalante
Acido jasmonico
Mitogen-activated protein (MAP) kinase
Pathway neccesary for local and systemyc
proteinase inhibitorl (PI) and polyphenol
oxidase (PPO) in the wounding response in
tomato
Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate
(NADPH)-oxidase
• Etilene
– Ormone delle piante prodotto in risposta a stress
– L’etilene indotta da ferite è prodotta come il risultato della attivazione di due
enzimi dedicati alla sua biosintesi
• 1-aminociclopropano-1-carbosilato sintetasi (ACS)
• 1-aminociclopropano-1-carbosilato ossidasi(ACO)
– I geni codificanti specifiche isoforme di questi enzimi sono anch’essi indotti
da ferita
– I geni codificanti isoforme basiche di PR proteine sono indotti da ferita
– L’etilene sembra essere quello di coordinare l'espressione genica insieme a
JA
• Nel pomodoro
– L’espressione del gene Pin mediata da JA è dipendente da etilene
– La biosintesi di JA è regolata dall’etilene
• Nel tabacco
– I livelli elevati di etilene da ferita indotta dalla alimentazione delle
larve di Manduca sexta sopprimono la biosintesi della nicotina
indotta da JA, coinvolta nella difesa dall’insetto, silenziando il gene
dell’enzima putrescina N-metil transferasi
– Questa repressione è un meccanismo di difesa della pianta che
rende larve di M. sexta più suscettibili ai parassititoidi che sono
allontanati dalla nicotina che le larve tolleranti accumulano nel loro
corpo
– Questo mette chiaramente in evidenza la co-evoluzione della
interazione
• Acido abscisico (ABA)
– Media la risposta delle piante allo stress idrico regolando
• La chiusura degli stomi
• L’espressione del gene che induce la disidratazione
– Media la risposta alle ferite
• Il livello di ABA è la conseguente al ferimento
– Aumenta significativamente solo nei tessuti attorno alle
ferite
– ABA è necessario più per il mantenimento di un normale stato
fisiologico più tosto che una molecola segnalate ferite
– ABA media, probabilmente, la induzione dei geni responsabili della
disidratazione che succede localmente seguendo il ferimento
• La disidratazione in Arabidopsis ha un ampio ruolo nel controllo
della induzione del gene della ferita
• Il profilo della espressione dei geni indotti da ferita, in
Arabidopsis, sono più simili a quelli indotti da disidratazione
che per attività alimentare degli insetti
• Jasmonati
– Ormoni vegetali derivati dal ciclopentanone
• Fanno parte della famiglia degli oxylipins o acidi grassi
ossigenati che contengono una o più atomi di ossigeno oltre a
quelli dei gruppi carbossilici
• Derivano dalla ossigenazione enzimatica del carbonio 18 e 16
di acidi grassi trinsaturi
– I prodotti meglio conosciuti che ne fanno parte sono
• Acido jasmonico (JA)
• Metil jasmonato (MeJA)
• Jasmonoil-isoleucina (JA-lle)
• Acido Oxo-fitodienoic (OPDA) e il suo 16 carbonio omologo
dinor-OPDA
– I prodotti biologicamente attivi
• 1. (+)-7iso-jasmonoil-L-isoleucina (JA-lle) questo e il ligando che
mostra di giocare il ruolo maggiore nel jasmonate segnalante
nelle foglie e forse nei fiori di Arabidopsis
• 2. Jasmonoil-L-tryptophano un’auxina segnalante inibitrice attiva
delle radici di Arabidopsis
• 3. OPDA e dinor-OPDA aventi proprietà segnalanti indipendenti
da quelle coinvolte nella percezione di JA e derivati come JA-Ile
• Sintesi degli jasmonati
– Da cloroplasti e enzimi dei perossisomi (organelli delle cellule eucariote)
• L’acido α-linolenico, derivante da glicolipidi delle membrane è
convertito in acido 13(S)-idroperossilinolenico dall’enzima 13lipossigenasi
• L’acido 13(S)-idroperossilinolenico è trasformato dalla sintetasi
dell’ossido allene nell’acido 12,13-epossioctadecatrienoico
• L’acido 12,13-epossioctadecatrienoico è trasformato dalla ciclasi
dell’ossido allene nell’acido (9S,13S)-12-ossi-cis-10,15-fitodienoico
(OPDA) che rappresenta l’esclusivo (>99%) isomero rilevato nelle
piante ferite lo stesso enzima agisce su 16:3 a formare dinor-OPDA
• L’acido (9S,13S)-12-ossi-cis-10,15-fitodienoico (OPDA) dall’OPDA
reduttasi è ridotto ad acido 3-ossi-2-(cis-2’-pentenil) ciclopentane-1octanoico (OPC-8:0)
• L’acido 3-ossi-2-(cis-2’-pentenil) ciclopentane-1-octanoico (OPC-8:0)
è convertito da tre ciclasi di β-ossidazione in acido (3R,7S) jasmonico
– Una consistente evidenza sottolinea che
• La sintesi di OPDA avviene nei cloroplasti (plastidi)
• La produzione finale di JA nei Perossisomi gli unici luoghi conosciuti
della β-ossidazione nelle piante
Prodotti intermedi nella conversione metabolica dell’acido
linolenico a acido jasmonico e una serie di hexenil o
green-leaf volatile catalizzate dagli enzimi iperossidasi liasi
(HPLS), fattore di isomerizzazione (IF) e alcol
deidrogenasi (ADH)
• I tempi cruciali per la sintesi di JA e l’azione dopo
la ferita
– Primo incremento significativo di JA : a meno di 30 sec dopo la
ferita
– Tasso di sintesi di JA in foglie ferite: La quantità duplica ogni 20
sec nel primo minuto dopo la ferita
– Primo chiaro incremento di JA nelle foglie lontane dalla ferita: 2
min dopo il ferimento
– Primo significante incremento di JA-lle nella foglia ferita: 5 min
dopo il ferimento
– Prima apparenza delle trascrizioni regolate da jasmonato nelle
foglie ferite: 5 min per JAZ1 (jasmonato-ZIM-DOMAIN PROTEINE1) e
15-30 sec per JAZ7 e MYC2
– Prima apparenza delle trascrizioni regolate da jasmonato in foglie
distanti dalla foglia ferita:15 min per JAZ7
– Prima apparenza dei prodotti liberati da JA: 11- and 12
idrossijasmonato e 12-carbossi-Ja-lle: approssimativamente 45
min dopo il ferimento
• La distanza dalle ferite a cui arriva il segnale che fa
scattare la sintesi di JA
– La natura del segnale sistemico che conduce alla sintesi di JA e JAIle nei tessuti distanti dalle ferite non è chiaro
– Questo principalmente implica segnali peptidici che precocemente
stimolano la risposta dello jasmonate
– Il segnale può essere propagato lontano dal flusso ionico
• Questo è stimato si muova ad una media che varia da 3,4 a 4,5
cm/min attraverso la pianta a stimolare l’accumulazione di JA
nelle foglie distanti
• Il meccanismo di azione de jasmonato
– La catena di trasduzione del segnale di base da ferite e erbivori induce l’espressione
di geni difensivi è composta di relativi pochi legami
• In foglie sane non daneggiate
– I bassi livelli di JA-Ile permette a JAZs (Jasmonate ZIM-domain) di
accumularsi e di reprimere i geni bersaglio di JA per le interazione delle
proteine JAZ con i fattori di trascrizione, come MYC2, che promuove i geni
che rispondono allo jasmonato
• In tessuti danneggiati
– La rapida accumulazione di JA-Ile farebbe scattare la degradazione delle
proteine JAZ ad opera di SCFCOI1 ubiquitin ligase e da 26S proteasome
[Legame delle proteine JAZ alla proteina F-box Coronatine insensitivie1
(COI1) e loro degradazione attraverso la via ubiquitinatione/26S-protease
(ubiquitinazione è una modificazione post-traduzionali effettuata da un
insieme di tre enzimi, E1, E2 e E3.)] - con la conseguentemente
derepressione dei geni di difesa
• La rapida risintesi di JAZ repressori limita l'espressione energicamente
impegnativa e cellularmente dannosi per il processo difensivo quando il livello di
jasmonato declina, per esempio quando l’insetto cessa di mangiare
– Un tale meccanismo di feedback negativo di controllo suggerisce che le
espressioni delle difese basate sullo jasmonato possono essere viste più
come un continuo che come uno stato discreto indotto e non indotto
• La combinazione di feedback negativi e positivi consente alla pianta di montare
l'impianto di una risposta di difesa commensurata con l’intensità e la durata
dell’attacco
• Nelle piante le espressioni inducibili dal gene difensivo sono basate, più
comunemente, sul togliere la soppressione invece che su un diretto meccanismo
positivo di induzione
Lo JAZ modello repressore del segnale jasmonate
a. Basso livello intracellulare di jasmonoyl-leucina (JA-Ile) (stelle rosse) favorisce
l’accumulazione dello jasmonato ZIM-domain (JAZ) proteine che si lega e reprime
l’attività dei fattori di trascrizione (TF) come MYC2 che positivamente regola i primi geni
di risposta a JA.
b. In un tessuto danneggiato da un insetto ”masticatore” si ha un rapido accumulo di
JA-IIe questo promuove SCFcoI1- mediated ubiquitination (enzima) (circoli neri) e
susseguente degradazione della proteine JAZ via 26S proteasoma che porta alla
derepressione dei fattori di trascrizione e nella espressione dei geni di risposta precoce
• Specificità delle difese basate sullo jasmonato
– Gruppi di insetti erbivori che usano uno dei vari tipi di comportamento
alimentare (es. masticatore, pungente succiatore) per ottenere nutrienti dal
tessuto della pianta ospite tendono ad elicitare distinti modelli di
espressione del gene
– Gruppi di insetti erbivori che usano lo stesso comportamento alimentare
evocano risposte molto simili
• Poiché la maggior parte degli insetti tradiscono la loro presenza
innescando la sintesi di jasmonato nei tessuti danneggiati questo
segnalatore di difesa può essere evoluto come una relativamente non
specifica strategia per dissuadere una grande varietà di erbivori
– Fattori derivati da insetti non sono strettamente richiesti per la sintesi di
jasmonate e di molte difese associate dovute a evidenti danni meccanici al
tessuto vegetale e spunti di sviluppo
– Le difese regolate da jasmonati possono essere regolate da altri fitormoni
• Es. l’azione contrastante dell’acido salicilico a contrastare la difesa
indotta in risposta ai lepidotteri
– La specificità della difesa indotta da erbivori può essere influenzata da
interazione tra vari bioattivi jasmonati ad
• Es. specifici membri della famiglia delle proteine JAZ possono
controllare distinte serie di geni che rispondono a erbivori
– In differenti cellule
– In risposta a differenti ligandi
Regolazione delle difese basate su jasmonate in
risposta a erbivori
I segnali indotti da erbivori (frecce rosse) attivano
la produzione di jasmonati bioattivi come lo
jasmonoyl-isoleucine (JA-Ile)
Lo JA-IIe promuove, mediata da SCFcoI1, la
degradazione le proteine repressori jasmonato
ZIM-domain (JAZ), che porta a una derepressione
di regolatori trascrizionali che controllano
direttamente e indirettamente i tratti difensivi.
La via di segnalazione jasmonato regola anche le
risposte della pianta alle chiavi dello sviluppo e ad
altre condizioni di stress
Metil jasmonato (MeJA)
mitogeno-attivate proteina chinasi (MAPK)
• La via jasmonate ha un ruolo centrale nel regolare le
risposte difensive agli erbivori
• Nel regolare il cambiamento globale nella espressione dei
geni in risposta al ferimento meccanico e agli erbivori
• Nella regolazione della interazione tritrofica
• Nella resistenza della pianta ospite ai fitomizi
• Nella difesa basata sui tricomi
• Nel innesca difese dirette e indirette
• Nel promuove trasmissione di segnali di difesa
– Lo jasmonate regola anche alcuni aspetti dello
sviluppo delle piante
• Promuove i processi riproduttivi
• Inibisce la crescita
• Inibisce la produzione fotosintetica di tessuti vegetativi
– Queste attività giustapposte propone agli jamonati un
ruolo nella gestione “del dilemma della pianta verso
cresco o difendo“ in rapido cambiamento e ambienti
ostili
Overview of the plant
wounding response and
signaling molecules which
can modulate it
(Abscisic acid)
La freccia nera
indica un “portatore a”
relazioni, sia localmente che
in risposta a segnali
trasmessi
La freccia blu scura
indica i segnali sistematici
entro la pianta
La freccia blu chiara
indica i segnali trasmessi dai
composti volatili
La freccia verde tratteggiata
indica la modulazione
positiva del processo
La freccia rossa tratteggiata
indica la modulazione
negativa del processo
La freccia da “acido iasmonico” a
“volatile”
indica che la biosintesi
dell’acido iasmonico
conduce anche alla
produzione green leafs
volatiles,
volatiles, e che l’acido
iasmonico stimola la sintesi
di altri composti chimici
volatili come i terpenoidi
Modello di segnalazioni da ferita nel pomodoro basati su studi genetici
I segnali da ferita inducenti sistemina, OGAs e
composti non identificati attivano la via
ottodecanoide per la biosintesi di JA in risposta
alla ferita meccanica o da erbivori
La produzione di JA media l’attivazione locale e
sistemica di geni precoci e tardivi (frecce
continue)
Le mutazioni che bloccano i vari scalini della via
delle segnalazione da ferita sono indicate con
una barra grigia
Esperimenti con innesti condotti con mutanti
supportano l’ipotesi che JA o suoi derivati
funzionano come un segnale sistemico
La ferita attiva anche vie segnalanti indipendenti
da JA (frecce tratteggiate) che regolano geni
precoci così come altri geni la cui espressione è
completamente indipendente da JA e sistemina
•Acido salicilico
– Quasi tutte le piante producono composti collegati all’aspirina a bassi livelli
attraverso attraverso una strada biosintetica la via dell’acido salicilico (SA)
– L’interconversione da una serie di composti correlati da origine a composti
alcuni dei quali hanno una attività ormonale che assiste la produzione di
fitoalessine (sostanze fungitossiche)
– L’acido salicilico come ormone segnalatore è coinvolto
•
•
•
Nella induzione dei geni della resistenza delle piante ai patogeni (PR)
Nello stabilire l’immunità a lungo termine attraverso la via della resistenza
sistemica acquisita (SAR)
Nella determinazione della resistenza delle piante parassite e agli insetti
– La risposta difensiva delle piante ai patogeni è una risposta ipersensitiva
(HR) all’infezione che uccide rapidamente le cellule ospiti dell’area
inizialmente infettata
– L’induzione di PR e susseguente SAR sono anche efficaci contro gli insetti
erbivori fitomizi che non causano estesi danni cellulari
•
Gli insetti che si nutrono del floema (es. afidi) e insetti che si nutrono dei
contenenti delle cellule (es. tripidi) elicitano difese simili ai patogeni
incrementando il livello delle espressione dei geni PR
infestazione di una
foglia
accumulazione di
acido salicilico
Trasmissione del segnale
a altre parti della pianta
via sistema vascolare
sintesi e rilascio di
del metilsalicilato volatile
Trasmissione del segnale
per via aerea
• Interrelazione tra le vie JA e SA
– L’effetto della interferenza JA/SA sono il ruolo antagonista che ciascuno
ormone gioca nella regolazione dell’altro
• Il ruolo di SA e della sua forma acetilata, aspirina, nella risposta alle
ferite nelle piante di pomodoro e nel tabacco sono efficaci nel sopprimere
la risposta JA alla ferita
• L’antagonismo tra JA/SA si verifica anche nel rapporto pianta/insetto
come l’applicazione di SA inibisce le difese mediate da JA e viceversa
– Nella interferenza tra JA/SA l’effetto è dipendente dalla dose
• L’antagonismo tra SA-JA è stato studiato con applicazioni di SA superiori
a 0,5 mM, mentre livelli più bassi di JA (0,1 mM) non inducono effetti
sulla espressione del gene o un effetto sinergico
– Es. in Arabidopsis l’espressione di PLANT DEFESIN1,2 indotta da
JA può essere aumentata con iniezione apoplastica di SA ad una
concentrazione superiore a 350 μM e diminuita con concentrazioni
superiori
– L’abilità a modulare le risposte di difesa basate sul piccolo cambiamento su
livelli di JA o SA può anche permettere alla pianta di rispondere agli attacchi
dinamicamente allocando le risorse più efficacemente
– Nella interferenza tra JA/SA è importante la sequenza della induzione
ormonale
• Es. La cinetica della soppressione mediata da SA della risposta mediata
da JA in Arabidopsis ha mostrato questo si verifica solamente se SA è
stato applicato a meno di 30 ore dall’inizio della risposta di JA con un
tempo superiore l’attività repressiva di SA è assente
• Acidi oligogalatturonici (OGAs)
– Glicani delle pareti celluari
– Conduce alla sintesi di una proteinasi inibitrice nelle foglie del
pomodoro; oligomeri di β-1,4 linked glucosamide (chitosan)
– E’ il risultato dell’idrolisi degli acidi poligalatturonici della componente
pectica delle pareti delle cellule delle piante
• L’idrolisi è catalizzata da una poligalatturonasi endogena della
pianta codificata da un gene la cui espressione è attivata da una
ferita
– Il segnale di attivazione appare essere l’acido jasmonico
– La poligalatturonasi è indotta dal prodotto della propria
azione: l’acido oligatturonico
– Gli oligosaccaridi non sono mobili entro la pianta, e così possono
agire vicino al loro luogo di produzione
• Differenziato nel fascio vascolare e in cellule adiacenti al tessuto
vascolare
Le resistenze delle piante
all’erbivoro
Acido linolenico →Acido jasmonico
Proteinase inhibitorl (PI) and polyphenoloxidase (PPO)
Monoterpene: linalool, Sesquiterpene: farnesene
Resistenza diretta
Le categorie funzionali della
resistenza diretta delle piante agli
insetti
definite da Painter (1951)
• Antixenosi
– Quando la pianta agisce come un ospite
scadente che induce alla scelta di un ospite
alternativo
• Antibiosi
– Quando la biologia dell’insetto è influenzata
negativamente
• Tolleranza
– Carattere genetico della pianta che le offre
l’abilità a resistere o a compensare il danno
Antixenosi e Antibiosi spesso si sovrappongono
ed è difficile delimitare le due manifestazioni
– Ad esempio se un insetto test è confinato su di
una pianta resistente e non guadagna peso
come quando si sviluppa su una pianta sensibile
• Questo potrebbe essere conseguente
– A fattori fagodeterrenti (antixenosi) che possono
iniziare il comportamento aberrante dell’insetto test
che risulta indebolito fisiologicamente
– Alle proprietà antibiotiche della pianta (antibiosi)
Antixenosi
Descrive l’inabilità di una pianta ad
essere ospite (xeno) di un insetto
erbivoro
Coinvolge fattori comportamentali che
causano nell’insetto una non scelta
della pianta per nutrirsene o per
ovideporre
• Antixenosi resistance
– Fu proposto da Kogan e Ortman nel 1978 per
descrivere la reazione di non preferenza degli
insetti verso una pianta resistente
• Non-preferance resistance (cioè densità inversa
dell’erbivoro sulla pianta)
– E’ il gruppo di caratteri della pianta che la porta
ad essere meno danneggiata da un erbivoro
rispetto ad un’altra mancante di questi caratteri
• La risposta sfavorevolmente dell’insetto a tali
caratteri denota la presenza di fattori fisici e chimici
della pianta che ne alterano il comportamento
conducendolo alla selezione di un ospite
alternativo
Strutture morfologiche
Empoasca fabae
Otiorhynchus sulcatus
Byturus tomentosus
Tricomi ghiandolari
Pubescenza
Phaedo cocheariae
Myzus persicae
Amphrophora rubi
Locusta migratorioides
Tricomi
– Tricomi eretti densamente distribuiti sulle foglie di cultivar
di soia e di erba medica dissuadono Empoasca fabae ad
alimentarsi
– Tricomi ghiandolari sulla patata selvatica (Solanum
neocardenasii) hanno un effetto negativo sul
comportamento alimentare di Myzus persicae
– Tricomi sulla pagina inferiore delle foglie di una cultivar
fragola sono responsabili della resistenza a Otiorhynchus
sulcatus
– La pubescenza della cultivar di grano”Vel” impediscono la
normale ovideposizione e mobilità delle larve di Mayetiola
destructor
– La pubescenza nella soia separa le uova dalla superficie
della foglia aumentandone la mortalità per disseccamento
Superficie cerate
• Le cere sono esteri formati da un acido grasso e un alcool alifatico
– La copertura cerosa delle foglie ha un ruolo importante nella resistenza
di alcune cultivar trasmettendo stimoli tattili e chimici negativi agli insetti
fitofagi
• Le piante di Rubus phoenicolasius hanno una produzione cerosa
che crea una barriera contro l’attacco di Byturus tomentosus e
Amphrophora rubi
– Una efflorescenza di cera sulle foglie dei brocoletti interferiscono con
l’adesione delle setole tarsali di Phaedo cocheariae alla superficie delle
foglie
– Lo strato ceroso sulle foglie di giovani piante di Sorghum e Brassica
dissuade l’alimentazione di Locusta migratorioides
– La superficie cerosa delle foglie può contenere allelochimici interferenti sul
comportamento degli insetti
• Frazioni di idrocarburi e carbonili della cera di cultivar di riso resistenti a
Nilaparvata lugens alterano il comportamento alimentare dell’insetto
inducendone lo spostamento dal luogo preferito di alimentazione
Spessore del tessuto
• La durezza delle foglie di alcune crucifere
– Influenza negativamente il comportamento alimentare di Phaedon
cochleariae
• Strati spessi di epidermide fogliare e di cellule parenchimatiche di
cultivar di canna da zucchero
– Dissuadono ad alimentarsi Scirpophaga nivella
• Uno strato corticale spesso protegge il fusto di Lycopersicon hirsutum
– Dall’attacco di Macrosiphum euphorbiae
• La compattezza della protezione attorno alle cariossidi di cultivar di riso
– Determina una protezione contro Sitotrogella cerealella e Sitophilus
oryzae
• Spighe di mais con cartoccio fortemente stretto
– Sono resistenti alla penetrazione di Sitophilus zeamais
• Lo strato di fitomelanina nel pericarpo dei semi di girasole
– E’ responsabile della resistenza di alcune cultivar alla penetrazione
di Homoeosoma electellum
Scirpophaga nivella
Sitophilus oryzae
Acromyrmex octospinosis
Macrosiphum euphorbiae
Ostrinia nubilalis
Sitophilus zeamais
Sitotrogella cerealella
Sitona lineatus
Spodoptera eridania
Repellenti
Interferiscono sull’orientamento olfattivo di un
insetto
•Nei vapori di resina di abeti alcuni monoterpeni sono
repellenti verso
– Scolytus ventralis
– Hylurgops palliatus
– Hylastes ater
•I composti volatili con oli esenziali in cultivar di riso
resistenti agli insetti impediscono alimentazione di
– Nephottetix virescens
– Nephotterix nigropictus
– Sogatella furcifera
Deterrenti
Melanopus sanguinipes
Spodoptera frugiperda
Heliothis virescens
Scolytus ventralis
Homoeosoma electellum
Heliothis zea
Helicoverpa armigera
Hylurgops palliatus
Pectinophora gossypiella
Chilo supressalis
Nilaparvata lugens
Hylastes ater
Alcaloidi
I Glicoalcaloidi fogliari in specie di patate selvatiche
hanno un’azione deterrente verso Empoasca fabae
Alti livelli di acido clorogenico in certe
specie di Salix dissuade dall’alimentarsi delle foglie
Lachmae capreae cribrata
Alti livelli di alcaloidi in piante di lupino hanno un
azione fagodeterrente verso Sitona lineatus
Terpeni
• Le saponine
– Consistenti di triterpeni o di uno steroide legato a una
parte dello zucchero agiscono in alcune specie di
patata dolce come deterrenti verso Acromyrmex
octospinosis
• Un aglucone
– Nel fogliame del mais il DIMBOA (2,4-dihydroxy-7methoxy-2H-1,4-benzoxazin-3(4H)-one) influenza la
resistenza all’erbivoro
• Nelle piante danneggiate meccanicamente il
glucoside 2-O-glucosyl-4-idroxi-1,4-benzoxazin-3one è convertito enzimaticamente in DIMBOA che
insieme al 2,-4-dihydroxy-1, 4-benoxazin-3-one
(DIBOA) dissuadono Ostrinia nubilalis ad
alimentarsi sul mais
Rhopalosiphum padi
Metopolophium dirhodum
Homoeosoma electellum
Keiferia
lycopersicalla
Rhopalosiphum maidis
Costelytra zealandica
Spodoptera exigua
Penphigus bursarius
Callosobruchus maculatus
Terpeni lattoni
• Il sesquiterpene lattone (8,β-sarracinoyloxycumambranolide)
sul girasole (Helianthus maxmiliani) resistente agli insetti
– Dissuade dall’attività alimentare
• Spodoptera eridania, Melanopus sanguinipes e
Homoeosoma electellum
• Alti livelli di sesquiterpene lattone germacrone in specie di
rododendri resistenti agli insetti
– Dissuadono l’attività alimentare di Scipithes obscurus
• I norditerpeni lattoni nelle foglie di una conifera (Podocarpus
gracilor) resistente agli insetti
– Dissuadono l’attività alimentare di
• Pectinophora gossypiella, Spodoptera frugiperda,
Heliothis zea
Fenoli
• I composti fenolici come p-idrossibenzaldeide e dhurrin
(Cyanogenic glycoside che nello stomaco dell’insetto si scinde in
carboidrato e aglicone che produce acido cianidrico) in cultivar di
sorgo resistenti agiscono come deterrenti verso Schizaphis
graminum
– La resistenza è dovuta a
• Una riduzione nei livelli dello stimolatore alimentare
arabinogalactan, che inibisce l’alimentazione dell’afide
– Una pectina idrolizzata dalla polisaccarasi di S. graminum durante
il sondaggio e l’alimentazione
• Una quantità molto più grande di pectina fructan (un
polisaccaride ad elevato peso molecolare) che inibisce
l’alimentazione dell’afide
• Una quantità doppia di metossi pectina doppia rispetto a
cultivar suscettibili
• Gli acidi fenolici hanno un ruolo nella resistenza delle
piante di grano verso S. graminum e di riso verso Chilo
supressalis
Flavonoidi
La crisantemina (cianamidin-3, β- glucoside) in cultivar di
cotone a fiori rossi dissuade dall’alimentarsi Heliothis
virescens
– La rutina (quercitin-3-O-ramnosil (1→6) glucoside)
condiziona gli insetti in fuzione della concentrazioni e
dell’età dell’insetto
– E’ fagodeterrente in quantità superiori a 10‾³ M verso
le larve di Heliothis zea e Helicoverpa armigera
– E’ fagodeterrente per la seconda età larvale di
Heliothis zea
– L’ Aspergin-C-glicoside come lo schafoside
– In quantità elevate nei culmi delle piante di riso
modificano il comportamento alimentare di Nilaparvata
lugens causando perdita di peso
–
continua
– La procianidina (tannino condensato)
• Nelle cultivar di cotone resistenti
– Dissuade dall’alimentarsi
» Heliothis zea, Heliothis virescens e
Pectinophora gossypiella
• Nelle foglie del tulipano e del pioppo tremulo
– Dissuade dall’alimentarsi e sopprime la crescita
larvale
» Delle larve di Spodoptera eridania
Principali classi di flavonoidi: esempio, il loro colore e la presenza nei tessuti
delle piante.
Classe
Esempio
Colore
Tessuto della pianta
Antocianine
cianidina
scarlato, rosso,
malva
petali, foglie, frutti
Leucoantocianine
tannini condensati
più colori
foglie, legno
Flanonoli, Flavoni
quercitina, rutina
più colori
foglie, steli
Calconi, Auroni
buteina, florizdina
giallo
fiori
Flavononi
naringina
più colori
foglie, frutti
Isoflavoni
rotenone
più colori
foglie, frutti, radici
Mancata percezione di
allelochimici volatili attrattivi
• La decrescente produzione di composti chimici
volatili radicali da parte di piante di carota
– Ha un ruolo nello “sfuggire” della pianta a
Psilia rosae
• La decrescente produzione di diterpeni in piante
di tabacco
– Introduce anche una resistenza indiretta
legata allo “sfuggire” della pianta a Myzus
persicae e Heliothis virescens
Antibiosi
Descrive gli effetti negativi di una pianta
resistente sulla biologia di un insetto che
tenta di usarla come ospite
Le difese chimiche e morfologiche mediante effetti di
antibiosi e antibiotiche variano da letali a blande
–Gli effetti letali sono
• Acuti ► spesso incidono su giovani larve e uova
• Cronici ► conducono a morte
–Larve mature (mancato impupamento)
–Prepupe
–Pupe (mancato sfarfallamento)
–Adulti
–Gli effetti debilitanti o blande sono
• Riduzione delle dimensioni e del peso del corpo
• Prolungamento del periodo di sviluppo degli stati
preimmaginali
• Ridotta sopravvivenza e fecondità degli adulti
L’antibiosi può manifestarsi in
seguito
• Alla presenza di allomoni (utili solo alla
specie che li emette) nella pianta
• Alla mancanza di cairomoni (utili solo
alla specie che li riceve) nella pianta
Le difese chimiche
Allelochimici
Tossine
• Alcaloidi
– Il Glicoalcaloide delle piante del genere Solanum resistenti a
Empoasca fabae
– I Glicoalcaloidi leptini in S. chalcoence sono tossici verso
Leptinotarsa decemlineata
– L’alcaloide α-tomatina
• Nel pomodoro selvatico (Lycopersicon hirsutum f. glabrum) è
da 3 a 4 volte più abbondante rispetto a cultivar suscettibili a
Heliothis zea
– I fenoli rutini e l’acido cloragenico che si trovano ad alti livelli
nella cima dei tricomi delle foglie di L. hirsutum f. glabrum si
comportano come l’ α-tomatina
• La mancata correlazione tra il contenuto totale di fenolo nel
pomodoro e la sua resistenza alle larve di Heliothis zea è
dovuto ad una interazione tra i fenoli e le proteine della dieta
continua
– L’alcaloide Gramine indolo [3-(N,N-Dimetilaminometil)
indolo] è una tossina responsabile della resistenza
dell’orzo coltivato verso
– Schizaphis graminum e Rhopalosiphum padi
per effetti sia acuti che cronici
– Il Metilchetone 2-tridecanone e 2-undecanone,
prodotti sulla cima di tricomi fogliari entro vacuoli,
hanno un ruolo chiave nella difesa della patata
selvatica (Lycopersicon hirsutum f. glabrum) dalla
aggressione di insetti defogliatori
• Metilchetone 2-tridecanone, prodotto in maggiore quantità da
cultivar resistenti, è tossico verso
– Keiferia lycopersicalla, Spodoptera exigua
• Metilchetone 2-tridecanone è parzialmente responsabile della
resistenza verso
– Leptinotarsa decemlineata
• Metilchetone 2-undecanone inibisce l’impupamento di
– Keiferia lycopersicella
• Metilchetone 2-undecanone è tossici verso
– Spodoptora exigua
• Acidi organici
– L’acido ciclico idrossamico DIMBOA prodotto per
deconposizione di 6-MBOA nelle foglie di mais ha un
effetto antibiotico su
• Ostrinia nubilalis, Metopolophium dirhodum e
Rhopalosiphum maidis
– L’acido cloragenico nelle cultivar di carote resistenti a
Psila rosae
• E’ strettamente correlato al livello dello sviluppo
delle popolazioni dell’insetto
– L’acido isocloragenico nelle cultivar di lattuga
conferisce una differente resistenza verso
• Penphigus bursarius in correlazione alla sua
concentrazione
• Terpeni
– Alcuni diterpeni e sesquiterpeni lattoni nelle
foglie di specie di Helianthus causano sintomi
antibiotici
• Nelle larve Homoeosoma electellum
– Le saponine prodotte metabolicamente da
terpenoidi sono tossiche
• Verso le larve Costelytra zealandica che in
Nuova Zelandia si nutrono di medica e
trifoglio
• Proteine
– Le tripsine e le chemotripsine sono contenute in
maggiori quantità in cultivar di Vigna unguiculata
resistenti a
• Callosobruchus maculatus
L’attività degli allelochimici
– Nelle cultivar resistenti è connessa alla attività
enzimatica dei tessuti
• La Fenilalanina ammonio-liasi il primo enzima nella via
metabolica del fenilpropanoide, è attiva a più alti
livelli durante l’attività dell’erbivoro su cultivar a
loro resistenti che comprendono
» cultivar di soia resistenti a Epilachna
varivestis
» Cultivar di grano resistenti ad un
complesso di afidi
– Gli alleochimici delle piante resistenti agli insetti
inducono effetti simili agli enzimi detossificanti
• Il cumestrol isoflavone, presente in cultivar di
soia resistenti alla defogliazione, determina in
larve di Pseudoplusia includens
– Un tasso minore di idrolisi del piretroide
fenvalerate, rispetto al controllo
– Un aumento di tossicità del fenvalerate,
indicando un effetto sinergizzante
dell’allelochimico
• Il metilchetone 2-tridecanone determina nelle
larve di Keiferia lycopersicella un aumento di
tolleranza verso il carbaryl
Il sinergismo o l’antagonismo degli allelochimici di
piante resistenti agli insetti verso l’attività di insetticidi
è influenzato
• Dalla loro concentrazione
• Dalla attività di enzimi specifici detossificanti
Due popolazioni di Leptinotarsa decemlineata una resistente
e una sensibile al fenvalerate sono state confrontate nelle
risposte verso metilchetone 2-tridecanone
• L’ abilità metabolica della forma resistente a detossificare
il fenvalerate non ha il medesimo effetto sull’allelochimico
• Il metilchetone 2-tridecanone delle piante resistenti di
pomodoro influenza allo stesso modo le popolazioni
resistenti e sensibili al fenvalerate di Leptinotarsa
decemlineata
Inibizione di crescita in seguito alla presenza di
inibitori
– La Miasina
• E’ un flavone glucoside contenuto nella “barba” del mais
resistenti a Heliothis zea
– La relazione tra concentrazione e penetrazione delle larve
del lepidottero nella spiga non è stata stabilita, in campo, e
ciò indica che c’è un altro fattore che contribuisce alla
resistenza del mais a H. zea
– Il Coumestrol
• E’ un isoflavone trovato in elevata quantità nelle foglie di piante di
soia, che causa una significativa riduzione di peso nelle larve di
Pseudoplusia includens
Inibizione cronica della crescita dell’insetto dovuta
alla presenza di inibitori di crescita
– Gli acidi caurenoico e trachiloblanoico (acidi organici) prodotti nei fiori
di cultivar di girasole resistenti agli insetti
• Ritardano lo sviluppo delle larve di alcuni lepidotteri
• Una conferma della loro capacità inibitrici della crescita è data dalla
reversibilità del fenomeno quando le larve sono alimentate con una
grande quantità di colesterolo
– Gossypolo, l’aldeide polifenolica, agisce come un inibilore di
parecchie deidrogenasi è un pigmento giallo
• Nelle larve di Heliothis virescens e Spodoptera littoralis inibisce la
crescita
– Il complesso fattori “x”: Emigossipolone, Sesquiterpene quinone e
”Elicoside” 1, 2 e 3, presenti in certe cultivar di cotone
• Riducono lo sviluppo di H. virescens in proporzione al Gossipolo
– L’ossido di Cariofillene (monoterpene volatile) ad alte concentrazioni
• Inibisce la cescita delle larve di Heliothis virescens
• Sinergizza gli effetti del Gossypolo
Inibizione di crescita dovuta alla riduzione di nutrienti
della pianta
Nelle cultivar di mais resistenti ad Ostrinia nubilalis
L’acido ascorbico è stato trovato in quantità impropria
• La cultivar di pisello “Laurier” resistente ad Acyrthosiphon
pisum ha
– Un contenuto più basso in amminoacidi rispetto alle forme
sensibili
• La cultivar di riso “Mudgo” resistente a Nilaparvata lugens
ha
– Una quantità più bassa degli amminoacidi asparagina e
glutamico rispetto alle forme suscettibili
• Cultivar di grano resistenti a afidi di cereali
– Hanno un livello ridotto di proteine e realtive proteasi rispetto
alle cultivar suscettibili
Le difese fisiche e barriere
morfologiche
Inibizione dovuta a riposte ipersensitive delle
piante
– La rapida crescita può essere tale da indurre negli insetti effetti
antibiotici
• La rapida crescita della capsula del cotone uccide le larve di
Anthonomus grandis grandis e di Pectinophora gossypiella
• La rapida crescita di una cultivar di melanzana è stata indicata
come elemento di antibiosi verso Liriomyza pictella
• La rapida crescita di pini è stata indicata come elemento di
antibiosi verso Rhyacionia buoliana
– Le reazioni ipersensitive
• Alcune piante di Brassica nigra ipersensibile alle uova di
Artogeia rapae reagiscono necrotizzando zone attorno la base
delle uova causandone il disseccamento
– Le caratteristiche fisiche delle oleoresine
• Piante di Pinus palustris e Pinus elliottii con una resistenza
maggiore a Dentroctonus frontalis hanno un
– Più alto flusso resinifero
– Maggiore viscosità
– Maggiore tempo di cristallizzazione
Inibizione dovuta a fattori strutturali della pianta
–Tricomi ghiandolari
• Il fogliame di Solanum berthaultii è protetto da tricomi ghiandolari dagli
attacchi di Empoasca fabae Leptinotarsa decemlineata, Myzus persicae, e
Epitrix cucumerix il campo dei tricomi è composto da
– Tricomi con ghiandole distali che esudano un rivestimento adesivo che
ricopre i tarsi che impedisce agli insetti di muoversi sulla superficie
fogliare a questo punto dalla estremità distale rotta di Tricomi più corti
si liberano due componenti un naturale epossido: una resina (acido
clorogenico) e un catalizzatore (polifenolossidasi)
– Gli insetti intrappolati nella resina muoiono per inedia
• Il fogliame di specie di Medicago hanno tricomi ghiandolari sulle foglie,
fusto e strutture riproduttive
– Questi quando sono rotti liberano una secrezione adesiva composta di
varie aldeidi, alcani ed esteri che intrappola e uccidono le larve
neonate di Hypera postica e Empoasca fabae
– Mentre degli adulti di H. postica riducono l’attività alimentare e di
ovideposizione
– Riduce le popolazioni del calcidide Bruchophagus roddi che si nutre
dei semi
Tricomi non ghiandolari
– Tricomi uncinati
• Di varietà di fagioli “impalano” le larve di insetti
a corpo molle
• Sulle foglie di Phaseolus vulgaris infilzano le
ninfe di Empoasca fabae che si muovono su di
esse
Le piante con 2000 tricomi per cm2 sono più resistenti
di quelle che ne hanno 400 cm2
– Tricomi eretti
Sulle foglie di cultivar di grano hanno un effetto di
antibiosi su Oulema melanopus
Le uova deposte sul letto di tricomi muoiono per
disseccamento a seguito delle loro punture
Le larve muoiono dopo aver ingerito frammenti di
tricomi che procurano lesioni nell’intestino
continua
• Tricomi semplici
– Costituiscono una densa pubescenza
• Su cultivar di cotone aumentano la
mortalità delle larve di Manduca sexta
– Limitandone il movimento
– Incrementando la loro suscettibilità alla
predazione
Pseudoplusia includens
Keiferia lycopersicella
Spodoptera littoralis
Anthonomus grandis grandis
Rhyacionia buoliana
Artogeia rapae
Tricomi con ghiandole distali
Tricomi uncinati
Epitrix cucumerix
Epidermide delle piante
– La presenza di cellule contenenti silice conferisce
la resistenza di piante di riso a fitofagi
• Un incremento di silice nel fusto ne aumenta la
resistenza verso Chilo supressalis, C. zacconius
e Tryporyza incertulas
– Le larve che si nutrono di tali piante
consumano i bordi mandibolari durante
l’alimentazione
– L’aumento di silice nell’epidermide in cultivar di
mais, sorgo e grano ne fa acquisire resistenza
verso i fitofagi
Tolleranza
La tolleranza è determinata dalla abilità
genetica insita nella pianta
• Di liberarsi di un insetto infestante
• Di ricostituire e aggiungere nuova
crescita dopo la distruzione
• Di rimuovere i tessuti danneggiati
– Nella prospettiva agronomica le cultivar
tolleranti
• Danno più raccolto di quelle non tolleranti e/o
suscettibili
Source-sink dinamica è un modello teorico utilizzato da ecologisti per
descrivere come variazioni in termini di qualità dell'habitat possano influenzare
la crescita della popolazione o il declino
La tolleranza di una pianta ad un
erbivoro è una caratteristica
complessa che coinvolge l’interazione
tra fattori intrinseci ed estrinseci
Componenti fisiologici della
tolleranza
Tasso intrinseco di crescita
– Piante con basso tasso di crescita hanno difficoltà a
rimpiazzare il tessuto danneggiato
Le riserve immagazzinate di carboidrati e nitrogeni
– Sono spesso insufficienti o non sono mobilitate dopo la
risposta iniziale della pianta al danno
• La mobilitazione delle riserve di carbonio ai
meristemi è molto importante nei primi giorni del
danno perché il contributo alla ricrescita eccede
quanto prodotto dalla normale fotosintesi così la
pianta deve dipendere dalle riserve di nitrogeni e
fosforo anche dopo che la mobiltazione del carbonio
di riserva è diminuita
– Le riserve immagazzinate possono essere un
componente fondamentale della tolleranza in ambienti
con risorse limitate dove i costi opportunistici
dell’immagazzinamento sono più bassi a causa di
limitazioni sulla crescita
L’espressione della tolleranza
Fattori intrinseci
Sono quelli determinati geneticamente o
evolutivamente dalla pianta stessa e includono
Componenti fisiologici
•
•
•
•
•
Tasso di crescita intrinseco
Capacità di immagazzinamento
Tasso di flessibilità della fotosintesi
Modelli di allocazione post danno
Assorbimento dei nutrienti
Componenti morfologici
• Vulnerabilità e numero di meristemi
• Plasticità di sviluppo
Stato fenologico
Stato della crescita
Flessibilità fisiologica
Via di allocazione post danno che stimola immediatamente la crescita ad
attivi meristemi è influenzata dalla architettura e arrangiamento dei
meristemi
– Tale risposta al danno è fortemente influenzata dal relazione sourcesink entro la pianta e quindi
– Differisce tra le specie
– Varia con li momento del danno
– Interagisce fortemente con le condizioni ambientali
Tasso di compensazione fotosintetica
• L’incremento della fotosintesi dopo il danno è molto più comune nelle
erbe che in altre piante
Aumento nella capacità di assorbimento di nutrienti
• Nelle piante defogliate il fatto è comune ma può essere insufficiente
quando nel suolo ci sono pochi nutrienti disponibili
Stadio fenologico della pianta
• Le giovani piantine sono meno tolleranti di quelle affermate
Caratteristiche morfologiche
– Influenzano profondamente la capacità delle
piante a compensare il danno
• I meristemi protetti di erbe e di specie
formanti rosette conferiscono una maggiore
tolleranza rispetto alle piante con
accrescimento internodale
– La posizione dei meristemi il loro numero
in congiunzione con il sistema vascolare e
la via di allocazione post danno sviluppano
la plasticità per la riorganizzazione della
crescita in piante danneggiate
Fattori estrinseci
– Disponibilità di nutrienti, di luce e di acqua può ridurre la tolleranza
quando sono scarsi o ridotti per via biotica come la competizione
• Questi fattori possono interagire con l’erbivoro producendo
un’ampia gamma di risposte entro una specie di pianta
– Dalla morte (quando le risorse sono scarse e la scelta del momento
inopportuna)
– Alla supercompensazione (quando le risorse sono abbondanti e la
scelta del momento opportuna)
– L’effetto degli erbivori sulla pianta ospite differisce quantitativamente
e qualitativamente
• La perdita di tessuti vascolari e meristematici inibiscono la ricrescita più
di quelli fotosintetici
– Defogliazione non sempre può alterare il benessere della pianta
• La distribuzione spaziale del danno entro una pianta sull’entità del
danno
– In Piper arieianum un medesimo tasso di defogliazione è meno
tollerata se è concentrata su una sola branca che distribuita su tutta
la pianta
– Tipo di esperienza dell’erbivoro e loro distribuzione entro una pianta
Manifestazioni di fattori che
influenzano l’espressione della
tolleranza
• Condizioni ambientali
– Temperatura
• La tolleranza della cultivar di sorgo KS-30 a
Schizaphis graminum è minore a temperature inferiori
a quelle ambientali
• La tolleranza ai danni da Schizaphis graminum
nell’orzo, segala e avena è maggiore a temperature
inferiori a quelle ambientali
• Nutrienti a livello del suolo
– Alte quantità di potassio nel suolo aumentano la
resistenza delle piante di sorgo a Schizaphis graminum
• Tolleranza genetica
– Nel cotone la tolleranza a Lygus lineolaris è stata
evidenziata come un’azione additiva del gene, ma non
sono state notate dominanze o effetti epistasici
Manifestazioni di tolleranza in
piante coltivate
– Cultivar di orzo è stata trovata tollerante a Schizaphis
graminum
– Cultivar di sorgo sono state trovate tolleranti a
Schizaphis graminum, Blissus leucopterus leucopterus,
Chilo partellus
– La cultivar di riso “Triveni” è tollerante a Nilaparvata
lugens
– Cultivar di mais tolleranti a Diabrotica virgifera virgifera
mostrano un apparato radicale più sviluppato delle forme
sensibili
– Cultivar di mais sono state trovate tolleranti verso
Heliothis zea
– Le cultivar di erba medica “Dawson” e “KS-10” sono
state trovate tolleranti verso Acyrthosiphon pisum e
Therioaphis maculata
• In seguito alla produzione di sostanza secca, carotene e
proteine
• In cultivar di erba medica c’è tolleranza verso
l’attività defogliatrice di Hypera postica
• In cultivar di cotone c’è tolleranza verso i danni al
fusto dovuto a Earias vitella
– In seguito alla produzione di un numero
maggiore di branche in risposta all’attività
dell’insetto
• In cultivar di melone c’è tolleranza verso Aphis
gossypii
– In seguito alla mancanta arricciatura delle
foglie che segue normalmente l’infestazione
dell’afide
Misurazioni quantitative della
tolleranza
• Le caratteristiche delle piante comunemente
associate con la tolleranza agli insetti sono
– Incremento nelle dimensioni
– Tasso di crescita
• Di foglie, fusti, piccioli, radici e semi o frutti
– Sopravivenza delle giovani piante
• Nel sorgo la tolleranza a Schizaphis graminum
può essere influenzata dalla maturità della pianta
– La valutazione della tolleranza all’afide in
piante più vecchie è migliore se si prendono in
esame le differenze nel produttività
• Nelle piante di riso la tolleranza a Nilaparvata
lugens fu valutata e identificata
– Come “resistenza di campo” in piante coltivate
invece che in giovani piante
Formule per la valutazione della
tolleranza delle piante di riso e
sorgo
Dovute a Schweissing e Wilde
(1979) Panda e Heinrichs (1983)
• Le formule furono sviluppate per
compensare il guadagno di peso
dell’insetto durante i biosaggi e sono
calcolate come
– [(peso secco in mg di piante non infestate peso secco in mg di piante infestate) /
peso secco dell’afide]
Quando il danno dell’insetto è leggero la
tolleranza viene valutata come una
Perdita Funzionale delle Piante (PFP)
confrontando solo l’area delle foglie con
la formula
– [(area delle foglie del controllo - area delle
foglie delle piante infestate) / area delle
foglie del controllo]
• La tolleranza a delle piante di riso a
Nilaparvata lugens fu calcolata come
1- (peso secco di piante infestate / peso
secco di piante non infestate) x (1stima del danno/9) x 100
L’analisi della regressione tra
tolleranza e antibiosi per valutare
la resistenza di piante agli insetti
– Nel riso è stata dimostrata la spartizione tra tolleranza e
antibiosi dei componenti della resistenza a Spodoptera
frugiperda
• Correlando la riduzione di peso secco della pianta (tolleranza)
e il peso della larva (antibiosi) tra 5 genotipi di riso e la cultivar
susettibile “Mars”
– L’intersezione di una linea marcante il valore medio
massimo del peso larvale e la linea di regressione individua
4 quadranti che indicano le differenti combinazioni di
tolleranza e antibiosi (Lye e Smith)
– Un tale sistema di valutazione per i medesimi
fini è stato usato
• Da Panda e Heinrichs a proposito della
resistenza di cultivar di riso a Nilaparvata
lugens
• Da Ortega et al. realivamente alla resistenza
del mais a Spodoptera frugiperda
Resistenza indiretta
• È una partita giocata tra piante ed erbivori in modo indiretto
coinvolgendo i carnivori nemici degli erbivori e può essere
– Un’azione costitutiva
– Un’azione indotta dal fitofago
• La difesa indiretta della pianta può attrarre il carnivoro
– Prescindendo dall’erbivoro
• E’ conosciuta da tempo questa capacità
– In risposta all’erbivoro
• I carnivori “ascoltano” le “chiacchere” delle piante
– Le piante danneggiate attivamente dagli erbivori
producono sostanze volatili che evocano comportamenti
di risposta nei carnivori nemici degli erbivori
• I carnivori nella loro risposta discriminano tra piante
infestate da erbivori e “infestate meccanicamente”
• Le Piante possono
• Produrre gli stessi composti volatili in risposta al
danno meccanico e all’erbivoro
–Sia il ferimento che il rigurgito dell’insetto
contribuiscono ad attrarre l’imenottero
parassitoide delle larve di Plutella xylostella
che mangia piante di cavolo
• Non produrre gli stessi composti volatili quando
vengono ferite meccanicamente
• La risposta delle piante all’attacco degli erbivori
può essere
– Indotta da secrezione degli erbivori
• La volicitina, presente nella secrezione orale di
Spodoptera exigua, induce, nelle piante danneggiate
di mais, il rilascio sistematicamente di volatili dalle
foglie non danneggiate
– Indotta dall’alimentazione dell’erbivoro
• Il Perillus bioculatus predatore di Leptinotarsa
decemlineata, risponde fortemente a 2-feniletano, un
composto volatile emesso dalla pianta di patata in
risposta alla attività alimentare di L. decemlineata
• La volicitina, presente nella secrezione orale di Spodoptera
exigua induce nel mais la sintesi di volatili
• Legando al danno dell’insetto il reclutamento da parte
della pianta di nemici naturali dell’insetto dannoso
– La voliticina nel mais causa una sovraregolazione della
espressione dei geni coinvolti nella biosintesi di indole-3glicerol phosphate lyaseo e di sesquiterpene cyclaseli
– La volicitina [N-(17-Hydroxylinolenoyl)-L-glutamine] è un
acido grasso coniugato ad un aminoacido
• Prodotto da un legame amidico tra il gruppo acido
carbossilico, il gruppo amminico di glutammina e il 17idrossilato dell’acido linolenico
» L’acido grasso (17-idrossilato acido linolenico) è derivato
dalla pianta
» L-glutammina è fornita dall’insetto
– Le reazioni chimiche che portano alla volticina avvengono
nella cavità orale
Da Insetto
L-glutammina
+
17-idrossilato acido
linolenico
Dalla pianta
=
Volicitina
Volicitina = N-(17-Hydroxylinolenoyl)-L-glutamine
•Incremento di composti
volatili rilasciati dalla pianta
in risposta all’insetto che la
mangia dovuto ad una
interazione tra elicitori,
come volicitina, con i
tessuti danneggiati della
pianta
•I semiochimici volatili sono
anche usati dai nemici
naturali degli erbivori per
localizzare l’ospite
• La emissione di mono-, sesqui- e omoterpeni
(Strutture blu)
– Dalle piante attaccate sono pensate aumentare
l’efficienza di caccia dei nemici naturali (vespe
gialle) facendo gli erbivori (larve di lepidotteri)
più apparenti a loro (dipingendo di rosso la larva
del lepidottero che è normalmente che è
normalmente cripticamente verde) funzionando
perciò come difesa indiretta della pianta
Perché un insetto induce la
risposta difensiva del proprio
ospite?
Presumibilmente la volicitina ha un ruolo
metabolico entro l’insetto
• È stato suggerito che può essere un
prodotto della microflora dell’intestino in
Spodoptera littoralis
– Che funziona come un tensioattivo che aiuta
la digestione
La pianta ha impiegato il composto per i
propri scopi
Gli insetti hanno tensioattivi che includono fosfolipidi e composti che
contengono acido linolenico
– E’ stato suggerito che producano complessi acidi grassi acil-aminici per
questo scopo
•D’altra parte Heliothis virescens e Helicoverpa zea contengono
enzimi nel mesentero capaci di rompere il legame amidico nei
coniugati aminoacidi-acidi grassi
•Le due specie di lepidotteri differiscono nella attività enzimatica
come risulta nei differenti livelli degli elicitori nelle secrezioni orali,
intestinali ed escrementizie
– Queste differenze negli enzimi intestinali possono essere un
fattore causativo delle differenze tra miscugli dei volatili emessi
dalle piante attaccate dall’una o dall’ altra specie di insetto
» Infatti l’imenottero parassita Cardiochiles nigriceps, per
questo, può distinguere l’infestazione del proprio ospite
Heliothis virescens da quella di Helicoverpa zea
– I meccanismi di questo tipo spiegano come le piante siano capaci di produrre
misture di volatili erbivori-specifici che attraggono parassitoidi o predatori propri
dell’ospite
Hypera postica
Tryporyza incertulas
Chilo partellus
Bruchophagus roddi
Lygus
lineolaris
Oulema melanopus
Blissus leucopterus
leucopterus
Diabrotica virgifera virgifera
Therioaphis maculata
La β-glucosidasi mima l’effetto del rigurgito di Pieris
rapae
– L’applicazione di tale sostanza su foglie di cavolo ferite
meccanicamente
• Determina la produzione del miscuglio di prodotti
volatili che sarebbero indotti dal rigurgito delle larve
di Pieris rapae
– Che richiamano il parassitoide Cotesia glomerata
* Volatili generici della pianta (es. composti emessi in assenza di danno)
* “Green leaf volatiles” (es. terpeni costitutivi rilasciati dopo danno meccanico)
* Volatili connessi all’insetto (es. insetti o prodotti delle piante direttamente associati con
la presenza dell’erbivoro)
* Volatili delle piante indotti (es. terpenoidi indotti ed emessi come una risposta ritardata
al danno da alimentazione dell’insetto)
Resistenza per associazione
Succede quando
una pianta
normalmente suscettibile
sviluppandosi
in associazione
con
una pianta resistente
ottiene protezione
dagli insetti
Queste manifestazioni indicano che
– La diversione o le azioni ritardanti nelle misture
di differenti specie di piante può aiutare a
rallentare lo sviluppo di biotipi di insetti che
superino la resistenza delle cultivar agli insetti
Da un punto di vista pratico questa resistenza
– Può essere implementata basando lo sviluppo di
piante resistenti su differenti sorgenti di
resistenza
Pseudoresistenza o falsa
resistenza delle piante agli insetti
Conta molto pesantemente su fattori
ambientali invece che su quelli genetici
– Si manifesta in piante normalmente
suscettibili per alcune ragioni:
•
•
•
•
•
•
•
Piantagione anticipata
Variazione di temperatura
Lunghezza del giorno
Chimica del suolo
Contenuto in acqua della pianta o del suolo
Metabolismo della pianta
Incompleta infestazione
Tecniche per la valutazione
della resistenza delle piante
agli insetti
Di solito di basano
sull’esposizione delle piante o di
sue parti ai fitofagi
La popolazione di Diaphania hyalinata lepidottero
dannoso alle cucurbitacee in Messico
–Raggiunge la densità più bassa in colture di
melopopone coltivato in associazione con mais,
zucca e fagiolo dall’occhio, piuttosto che in
monocoltura
Il coleottero Anthonomus grandis è stato tenuto fuori
dalle coltivazioni di cotone piantando in combinazione
–Le razze altamente fruttificanti con cultivar non
preferite per l’ovideposizione da parte del
coleottero
Valutazione della resistenza agli
insetti basata sulla risposta (danno)
della pianta all’insetto
• Generalmente ed è valutata come
• Percentuale di danno sul fogliame o sui
frutti
• Riduzione del prodotto
• Riduzione del vigore generale della
pianta
La risposta (danno) della pianta dall’insetto varia in
funzione
– Del tipo di pianta
– Dell’insetto fitofago
– Del luogo dell’esperimento
• Pieno campo
• Serra
• Laboratorio
I metodi scelti per misurare la risposta dovranno
dare differenze distinte tra
– Piante suscettibili
– Moderatamente suscettibili
– Resistenti
La risposta della pianta all’attacco dell’insetto può anche
dipendere
– Dal numero di insetti per pianta
• Quando la popolazione del fitofago è troppo alta
– Le cultivar con un basso e moderato livello di resistenza
possano apparire suscettibili
• Quando la popolazione del fitofago è troppo bassa
– Non si ha una chiara separazione delle piante resistenti dalle
suscettibili
– Dal vigore della pianta
• Piante con scarso vigore per deficienze di acqua o nutrienti
– In condizioni normali potrebbero essere resistenti
– Dall’età della pianta
• Piante troppo giovani possono risultare suscettibili al contrario di piante
adulte
– Da fattori che influenzano la sistemazione dell’insetto sulla pianta
– Dall’interazione tra la risposta dell’insetto e stimoli della pianta
– Dai fattori ambientali
Nello stabilire un metodo efficiente di
screening
– E’ necessario conoscere
• La biologia del fitofago e il suo potenziale
danno sulla pianta
• Il numero di insetti necessari per pianta
• Il numero di insetti rilasciati
• Lo stadio di crescita della pianta
• Il tempo appropriato dall’infestazione alla
valutazione
Tecniche per lo screening di un grande
numero di varietà differiscono
– Per ogni insetto
– Per ogni cultivar
Screening di campo
• Scelta di un area con
– Una prevedibile alta infestazione
– Una coincidenza fra
• Il massimo di infestazione e la giusta
crescita della pianta
• Utilizzo di infestazioni naturali
– L’utilizzo di popolazioni naturali comporta alcuni svantaggi
•
•
•
•
•
L’aleatorietà della presenza del fitofago
La presenza troppa bassa o troppo elevata del fitofago
La diffusione spesso irregolare nello spazio e nel tempo del fitofago
Le variazioni annuali del livello di popolazione del fitofago
La possibilità di incorrere in attacchi di altri fitofagi non bersaglio che
possono causare danni simili al fitofago bersaglio
– Tecniche per alleviare o eliminare queste difficoltà
• Utilizzo di piante suscettibili al fitofago come bordo dell’area di
screening o all’interno fra le parcelle
• Utilizzo di piante che possono anche essere tagliate o rimosse
durante la prova per favorire lo spostamento del fitofago sulle
piante test
• L’utilizzo di insetticidi selettivi
– Che eliminano l’infestazioni di altri fitofagi o la pullulazione di
predatori e parassitoidi
– Tutte queste situazioni possono rendere difficile l’interpretazione
dei risultati
• Utilizzo di infestazioni artificiali
Gli erbivori da utilizzare in screening di valutazione della resistenza
sono ottenuti
– Da allevamenti massali che permettono grandi e continue
forniture di insetti allevati massivamente
• Su ospiti naturali come per Emitteri e Ditteri
• Su dieta artificiale come per Lepidotteri
– Tecnica sviluppata molto negli ultimi tempi in seguito alla
disponibilità di diete e tecniche per l’utilizzo
– La produzione di insetti test su dieta artificiale riducono
diversità genetiche nella popolazione del fitofago per
questo motivo sono necessarie
» Diete che contengano materiali della pianta ospite
come allelochimici
» Continue introduzioni di individui selvatici nelle
popolazioni di laboratorio
Screening con gabbie in campo
• Le gabbie permettono
– L’eliminazione della fuga dei fitofagi bersaglio
– Limitano l’arrivo di predatori e parassitoidi dalle zone
circostanti il campo di prova
Le gabbie possono essere
•Molto grandi per racchiudere piante
•Piccole per racchiudere solo parti di pianta
La dimensione e la forma sono determinate da
•Tipo di piante test
•Età di piante test
•Numero di piante test che devono essere valutate
Screening in serra
– Permettono
• Un elevato controllo nella selezione di piante
resistenti
• Una limitata quantità di materiale da valutare
– Permettono
• Di migliorare le fasi di crescita di piante a ciclo vitale
lungo
– Richiedono
• Il controllo del tasso di infestazione
– Per evitare che l’eccessiva pressione della popolazione
distrugga o oscuri le potenziali fonti di resistenza
Test di screening con seedbox standard
– Utilizzato soprattutto per afidi e cicaline
– Le cultivar da valutare sono seminate in file assieme a file di cultivar
resistente e suscettibile all’interno di un box in legno o di materiale
plastico riempito di terreno
– Le ripetizioni non devono essere meno di 4 o 5
– L’insetto test è rilasciato in numero tale da uccidere le piante suscettibili
– La valutazione viene effettuata utilizzando delle scale di gradazioni di
danno rispetto alla cultivar di controllo suscettibile
Test di screening con seedbox modificato
– È utilizzato per valutare cultivar con una limitata
resistenza che non è apprezzabile con il metodo
tradizionale
– Il test utilizza
•Piante di età più vecchia di quella che di
solito si ha durante l’infestazione
•Livelli di popolazione del fitofago più limitati
– E’ stato impiegato per lo screening della
resistenza del riso a Nilaparvata lugens
Test di screening con scelta
Test di screening di libera scelta (o preferenza)
• Adottato di routine nella valutazione della resistenza delle piante
agli insetti per la semplicità e l’economicità del metodo
• Viene utilizzato nella preliminare valutazione della resistenza
Test di screening senza scelta
Il test di non scelta è stato largamente utilizzato come
• Complemento al test di libera scelta per identificare e
confermare
• La presenza o l’assenza della resistenza all’insetto per un
vasto numero di piante
Screening in laboratorio
Metodo valido e rapido per confermare la resistenza test di
campo o di serra
– In laboratorio sono spesso utilizzate parti di pianta
come foglie recise o dischi fogliari
• Varie ricerche hanno mostrato che la rimozione di
tessuti dalla pianta potrebbe avere influenze
sull’espressione della resistenza
– Il danno alla pianta generato durante l’alimentazione
dell’insetto viene misurato basandosi
• Sull’area mangiata
• Dal peso secco del controllo
• Dal tessuto danneggiato
• Dalla stima visiva del danno come quantità
mangiata rispetto alla pianta non mangiata
Valutazione della resistenza agli insetti
basata sulla risposta dell’insetto alla
pianta
Le principali categorie di risposte comportamentali e
fisiologiche degli insetti
– Che vengono considerate quando vengono eseguiti
biosaggi su piante resistenti sono
•
•
•
•
•
•
•
•
L’orientamento
Il contatto
L’istallazione o colonizzazione
L’alimentazione
Il metabolismo del cibo ingerito
La crescita
La longevità dell’adulto
La fecondità e l’ovideposizione
L’interazione della somma di tutti queste risposte
– Determinano la resistenza o suscettibilità della pianta test
a una specie di insetto
Orientamento e istallazione
• L’orientamento dell’insetto coinvolge stimoli visivi ed olfattivi emanati
dalla pianta
– Questi possono essere identificati dall’insetto a varie distanze, prima
del contatto con la superficie della stessa
– La risposta di orientamento e di istallazione dell’insetto sulla pianta
sono generalmente misurati dal test di libera scelta e dal test
all’olfattometro
• La risposta all’orientamento viene misurata da pochi minuti fino a un ora
dal rilascio dell’insetto test
• La risposta alla istallazione viene generalmente misurata per un
intervallo di tempo maggiore a quello dell’istallazione
• Il test di libera scelta più utilizzato prevede
– L’insetto test posizionato al centro di un area dove, ai lati, le diverse
piante da saggiare sono poste in modo randomizzato ed equidistante
– Gli insetti rilasciati al centro dell’area vengono poi contati in momenti
successivi sulle differenti cultivar registrando il numero di individui
presenti in diversi momenti
• Il test all’olfattometro per studiare la risposta all’orientamento valuta la
risposta dell’insetto alle sostanze volatili delle piante
– Uno dei più comuni olfattometri è quello ad Y
Olfattometro a Y
Strumento che fornisce la possibilità di scelta tra due vie
• E’ usato per misurare le risposte a unità di composti
chimici volatili
L’alimentazione
• Tale indagine utilizza tecniche che registrano lievi cambi nel
comportamento di alimentazione dell’insetto da piante suscettibili a
piante resistenti attraverso
– La misurazione delle parti di pianta danneggiate
• Le piante resistenti sono meno danneggiate delle piante
suscettibili perché meno insetti si alimentano su di esse
– La risposta all’alimentazione dell’insetto
• Gli insetti fitofagi con apparato boccale masticatore
– Causano direttamente il danno durante l’alimentazione
• Gli insetti fitofagi con apparato boccale pungente succhiatore
– Danneggiano la pianta sia per sottrazione di linfa dai tessuti e
sia per la trasmissione di microrganismi patogeni durante
l’alimentazione
• Le cultivar resistenti sono meno danneggiate
• In seguito alla minore presa di cibo
– Soprattutto di linfa dal floema
– Tecnica di individuazione del tessuto di alimentazione
dell’insetto con apparato boccale pungente succhiatore
• Tecnica che impiega la safranina
– Le piante da testare vengono immerse con le radici pulite dal
terreno in una soluzione acquosa al 0,2 % di safranina per 6
ore dopo di che tutto lo xilema è colorato di rosso
– Le gocce di melata escreta dall’insetto vengono raccolte su
carta da filtro che poi viene immersa in una soluzioni di
ninidrinina, così si formeranno
» Macchie rosse se l’insetto si è alimentate sullo xilema
» Macchie blu se si è alimentato sul floema
– Applicando questo metodo è risultato che Nephotettix
virescens
» Sulle piante resistenti di riso è a principale alimentazione
xilematica
» Sulle piante suscettibili di riso è a principale alimentazione
floematica
•Tecnica della colorazione di tessuti fogliari
– Consiste nel colorare tessuti fogliari per mettere in
evidenza il callosio
» Un polisaccaride che rivela l’attività alimentare
degli afidi
– La deposizione del callosio è originata dall’interazione
o reazione della pianta alla penetrazione degli stiletti
dell’insetto
– Il callosio fissa il colorante blu di anilina
» Così mette in evidenza l’eventuale attività
alimentare dell’insetto
• Tecnica dell’elettropenetrografia (EPG system)
– Il sistema EPG-DC (direct current) si basa sulla
registrazioni delle variazioni di resistenza elettrica
(Ra) che avvengono durante l’alimentazione di un
insetto con apparato boccale pungente succhiatore
– Il sistema EPG-DC è costituito da
• Una fonte di voltaggio
• Una resistenza elettrica costante (Ri) di 1G Ω ( giga ohm)
• Entrambi connessi mediante un elettrodo all’insetto e uno
alla pianta
– Quando l’insetto inserisce gli stiletti nei tessuti della
pianta il circuito si chiude
• Il flusso di corrente che attraversa l’insetto e i vari tessuti
della pianta fanno identificare le differenti attività alimentari
Componenti di base di EPG e
circuito di base
a) Componente di EPG e circuito primario
b) Circuito primario includente i componenti
biologici (pianta e insetto)
c) Diagramma schematico del circuito primario
dove i componenti biologici sono modellati
come un resistore variabile, Ra. Inoltre sono
indicati l’imput resistore Ri (resistore di
valore costante) e Vs sorgente del voltaggio
d) Diagramma schematico del circuito primario
dove i componenti biologici sono modellati
come un resistore variabile, Ra, in serie con
una sorgente variabile di voltaggio, emf
(electromotive force)
Elettropenetrografia (EPG Dc system)
Registrazione EPG
Diagramma dell’andamento della corrente elettrica
all’interfaccia insetto-pianta
• Le diverse attività che influenzano il variare della Ra sono
– La concentrazione ionica all’interno del canale alimentare e salivare
dell’insetto
• Maggiore è la concentrazione minore sarà Ra e viceversa
– Tale concentrazione varierà in funzione dei vari tessuti
raggiunti dagli stiletti
– Il tipo di saliva prodotto dall’insetto
I tipi di saliva prodotta dal gruppo degli Omotteri sono due
– Una di tipo acquoso contenente enzimi
– Una di tipo lipoproteica che, gelificando, va a formare la
guaina salivare.
– La produzione di questi due tipi di saliva avviene in momenti
diversi e alternati fra loro, durante la penetrazione degli stiletti
all’interno della pianta
– La resistenza elettrica variabile (Ra)
• E’ alta quando la saliva è lipoprteica
• E’ bassa quando la saliva è acquosa
– La Ra è influenzata dall’apertura e chiusura delle valvole precibariale
e salivare che avviene durante le varie fasi dell’alimentazione
• La elevata chitinizzazione delle due strutture determina un
aumento di Ra durante la loro chiusura
Metodo di avanzamento degli stiletti negli afidi
a)
b)
c)
d)
e)
f)
Stiletti entro la guaina salivare, R alta
Stiletti leggermente oltre la guaina salivare, R alta
Guaina salivare secreta nella fase liquida, R bassa
Secrezione della saliva liquida e conseguente estrusione in una bolla della
guaina salivare, R bassa a causa della saliva liquida
Cessazione della saliva liquida e gelificazione della nuova bolla della
guaina salivare R alta
Stiletti leggermente oltre la guaina salivare, R alta
• Il sistema EPG-DC valuta anche i biopotenziali
presenti durante l’introduzione degli stiletti nei
tessuti della foglia
– Il potenziale di membrana, il più importante, esistente sui
due lati della membrana citoplasmatica
• Infatti fra l’interno e l’esterno di questa esiste una
differenza di potenziale di circa 100 -180 mV e quando
gli stiletti penetrano questa membrana si ha un brusco
calo di potenziale
– Il potenziale di flusso originato dalle diversa distribuzione
delle cariche all’interno di un capillare durante il
passaggio dei fluidi
• Questo si origina nei due canali
– Quello alimentare
– Quello salivare dell’apparato boccale
Potenziali della membrana cellulare
a) Estremità degli stiletti in posizione extracellulare, emf (electromotive force)
causata dal potenziale di membrana è positivo
b) Estremità degli stiletti in posizione intracellulare, emf (electromotive force)
causata dal potenziale di membrana è negativa
Potenziale di flusso (Streaming potential)
a) Sezione longitudinale del capillare con evidenziata la distribuzione degli ioni. Lo
strato degli ioni negativi aderenti alla parete attraggono quello degli ioni positivi
b) Il flusso è più alto al centro e decresce parabolicamente avvicinandosi alle pareti
del capillare
c) Formazione di un potenziale di flusso causato dalla interazione di a) e b)
Gli ioni negativi non sono mossi dal flusso del fluido al contrario degli ioni positivi
che in tal modo danno luogo ad una accumulazione di carica positiva alla fine del
capillare
La differenza di potenziale tra l’estremità inferiore e superiore del capillare è detta
potenziale di flusso
Apparato boccale pungente succhiatore
degli afidi
Struttura e funzione
dell’apparato boccale
all’interno del floema
intestino
pompa salivare
Durante E1:
•valvola chiusa
•pompa salivare attiva
valvola precibariale
Durante E2:
•valvola aperta
•pompa salivare attiva
singolo canale apicale
Processo di penetrazione degli stiletti
nella pianta
mesofillo
floema
Cellula compagna
Labbro
inferiore
Salivazione intracellulare floematica
mesofillo
guaina salivare intercellulare
epidermide
Vaso floematico
Labbro
Labbro
inferiore
inferiore
d
floema
salivazione e ingestione intracellulare
mesofillo
floema
Labbro
inferiore
Vaso floematico
epidermide
salivazione e ingestione intracellulare
Vaso floematico
guaina salivare intercellulare
epidermide
b
Vaso floematico
Labbro
inferiore
c
floema
Cellula compagna
mesofillo
Cellula compagna
epidermide
Cellula compagna
a
Ingestione floematica
Stiletto tagliato durante
Waveforms E2
Stiletto tra le pareti di 2 cellule di
mesofillo
f
s
f, canale alimentare
s, canale salivare
= lamella mediana
1 µm
Sezione fogliare con il completo percorso degli stiletti dall’epidermide
attraverso il mesofillo fino ai tessuti vascolari
Percorso dello stiletto
Fase xilematica
Percorso
dello stiletto
intercellulare
Fase floematica
100 µm
Forme d’onda (waveform) di afide
1h
SINTESI
probe
np
probe
probe
np
np
E1
E2
E1
path
path
path
xilema
path
phloem
path
floema
DETTAGLI
path(way)
A
B
45 sec
B
C
C
pd
f l o e ma
xilema
G
5 sec
E1
5 sec
E2
5 sec
Waveforms A, B, C: penetrazione intercellulare
A
B
B
C
C
pd
np
A: primo contatto elettrico dello stiletto
B: produzione della guaina salivare
C: penetrazione intercellulare dello stiletto (etc.)
pd: brevi punture intracellulari durante l’avanzamento dello stiletto
Waveform E1 rappresenta la fase di salivazione waveform E2 la fase di
ingestione passiva della linfa elaborata
Floema: waveforms E1 e E2
E1
E2
1 min
E1 salivazione all’interno del floema
parete cellulare
Linfa floematica
E2 ingestione e contemporanea salivazione
guaina salivare
saliva acqusa
plasmalemma
stiletto
• Le forme d’onda registrate durante l’alimentazione
dell’insetto sono interpretate come
– Sondaggio
– Salivazione
– Alimentazione floematica
– Bevuta dallo xilema
• La registrazione permette
– Di valutare o localizzare i meccanismi di resistenza
all’interno dei tessuti fogliari
– Ogni forma d’onda (waveform) è correlata con i differenti
aspetti del comportamento di sondaggio
– I patterns indicano le sequenze specifiche di differenti
forme d’onda
• Correlazione tra EPGs con i comportamenti di
sondaggio
– Le tecniche istologiche sono utili per identificare il tessuto
della pianta nel quale le estremità degli stiletti sono locati
durante le differenti forme d’onda (waveform)
– Per il fatto che gli omotteri ingeriscono fluidi e secernono
saliva attraverso l’estremità degli stiletti, la loro
localizzazione in un tessuto vegetale durante una
specifica forma d’onda è molto importante per interpretare
il comportamento di sondaggio durante quella forma
d’onda
– Una volta che le correlazioni tra le forme d’onda rilevate
con l’EPG e lo specifico comportamento di sondaggio
sono conosciute
• l’EPG può essere usato per studi dettagliati sul
comportamento di sondaggio di omotteri e così
ottenere una risposta relativamente all’accettazione o
al rifiuto della pianta ospite
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Fattori di resistenza in differenti tessuti della pianta ospite
sequenza / tempo
fattori nel floema
fattori nel mesofillo e nel floema
fattori presenti nel mesofillo e nei fasci vascolari
fattori presenti nell’epidermide e mesofillo
fattori di superficie
• Tecnica del disco di carta da filtro
– La quantità relativa di alimento asportato dall’insetto sulla pianta
suscettibile e sulla pianta resistente può essere rilevata
• Misurando l’area della melata raccolta su un disco di carta da filtro
– Il filtro viene rimosso ogni 12 ore e il numero di gocce di melata
vengono evidenziate immergendo il disco in una soluzione del
0,2% di ninidrinina n-butanolo
– Questa tecnica fu per la prima volta utilizzato per misurare la resistenza
e la suscettibilità di piante di pisello a Acyrthosiphon pisum e di piante
di riso a Nilaparvata lugens
– Tecnica del sacchetto di parafilm
• La melata prodotta è misurata
– In volume mediante pipette calibrate di diversa misura
– In peso mediante la pesatura delle micropipette di raccolta
dedotta la tara
• La quantità di melata per insetto prodotta in 24 ore
– E’ usata come parametro per confrontare l’attività di
alimentazione su piante suscettibili e resistenti
• La tecnica è stata utilizzata per quantificare la melata escreta
da Nilaparvata lugens, Nephotettix virescens e Sogatella
furcifera che si nutrono su riso
a) Gabbia per misurare la melata prodotta sulle piante
b) Sezione longitudinale
– Tecnica della registrazione temporale della
escrezione di melata
• La tecnica consiste nel far scorrere un nastro collegato e
regolato da un orologio in modo che le gocce vengano
rilevate nei vari momenti dall’inizio dell’esperimento
• Così è possibile rilevare il ritmo di produzione della melata
che cambia fra una cultivar resistente e una suscettibile
La melata una volta raccolta viene analizzata per il
contenuto in aminoacidi liberi e zuccheri
– La melata proveniente da insetti che si nutrono su
cultivar resistenti è acida
– La melata proveniente da insetti che si nutrono cultivar
suscettibile di solito è basica
Valutazione della perdita di superficie fogliare
dovuta a insetti con apparato boccale masticatore
– L’alimentazione degli insetti con apparato
boccale masticatore può essere valutata con i
seguenti metodi
•
•
•
•
Strumenti fotometrici
Video registrazione
Elettro registrazioni
Metodi colorimetrici
Il metabolismo del cibo ingerito
• I tessuti delle piante ingeriti dagli insetti prima di
essere utilizzati per la crescita, sopravvivenza e
fecondità devono seguire un adatto metabolismo
– Nella maggioranza dei casi la misurazione
dell’utilizzo del cibo da parte dell’insetto viene
determinata con metodi gravimetrici
• Gli indici usati richiedono generalmente
– Il peso iniziale e finale dell’insetto
– Il peso del cibo ingerito
– La quantità delle feci prodotte durante
l’analisi
La crescita
• La crescita di un insetto su una pianta
resistente o suscettibile è determinata
attraverso
– Il peso raggiunto da larve o neanidi
– Lo sviluppo di larve in pupe, di neanidi in
ninfe e di entrambe in adulti determinato
come
• Percentuale di individui immaturi
• Tempo medio richiesto per la crescita
La longevità dell’adulto
• Determina la stabilità dell’insetto sulla pianta
dove ha completato la crescita
• Sulla pianta test è registrato
• Come periodo di sopravvivenza
dell’adulto
La fecondità e l’ovideposizione delle femmine
• Su differenti piante ospiti è determinata come numero di uova prodotte
e deposte ed è importante
– Conoscere i dettagli nella preferenza di ovideposizione
• E’ utile quando in programmi di miglioramento genetico
– Vengono fatti tentativi di identificare un germoplasma resistente
– Conoscere il ruolo della risposta delle femmine agli stimoli ad ovideporre
sulla pianta e la stabilizzazione sulla pianta resistente o suscettibile è
importante per
• Eliminare differenze nella fecondità causate da differenti assunzioni e
assimilazioni di cibo
• Alle femmine ovideponenti allevate su pianta ospite suscettibile è
permesso di ovideporre su piante ospiti differenti, per lo stesso periodo
di tempo
– Sulla base del numero di uova deposte è messa in evidenza la loro
preferenza per piante differenti
• Biosaggi sulla ovideposizione possono essere condotti
– In campo, serra, laboratorio
– In test di libera scelta (preferenza) o test di non libera scelta
(risposta di ovideposizione)
L’incremento della popolazione dell’insetto fitofago
• E’un importante criterio per misurare
– Il livello di resistenza delle piante da valutare
• Rappresenta l’effetto cumulativo
– Della installazione e della alimentazione
– Dell’ingestione o utilizzazione del cibo
– Della crescita
– Della sopravivenza dell’adulto
– Del tasso di ovideposizione e schiusura delle uova dell’insetto su
una determinata pianta da valutare
• Per determinare l’incremento di popolazione
– Un numero noto di maschi e femmine sono confinati su piante da
valutare in serra o in pieno campo
– Il numero di insetti raccolti sulle piante ingabbiate al termine
dell’esperimento (1-3 mesi) viene considerata
• Una indicazione della suscettibilità o resistenza complessiva
delle piante valutate
Fattori che influiscono sulla
resistenza delle piante agli insetti
Variabili delle piante
Earias vitella
Cardiochiles nigriceps
Nephotettix virescens
Aphis gossypii
Perillus bioculatus
Cotesia glomerata
Diaphania hyalinata
Sogatella furcifera
Chalcodermus aeneus
Densità delle piante
•
La densità del fogliame condiziona l’espressione di resistenza della
pianta
– In coltivazioni di piselli il danno da Chalcodermus aeneus aumenta
del 300% quando la densità di impianto è 15 volte superiore al
normale
– Nelle coltivazioni di pomodoro i danni da Heliothis zea aumentano
in relazione all’incremento di densità come succede per le
coltivazione dei piselli
– Differenti cultivar di cipolla sono apprezzate in modo largamente
diverso da Delia antiqua per l’ovideposizione
• Le differenze per la quantità di uova deposte scompare quando
il confronto viene fatto attraverso l’analisi della covarianza che
tiene conto della grandezza delle piante
– Tutti questi esempi indicano che è necessario standardizzare la
spaziatura, tra le piante da valutare per la resistenza ad una
determinata popolazione di insetti, in proporzione ad una biomassa
di piante per area
Altezza delle piante
• Influenza la loro resistenza agli insetti
– Nelle piantagioni di cotone il rincote Lygus
hesperus preferisce le cultivar alte per
ovideporre
• Quando ci sono piante di grandezza diversa
nella coltivazione quelle più grandi sono
preferite
– Il fenomeno scompare quando è rimossa
la differenza in grandezza
» Infatti le cultivar più grandi sono in
assoluto le meno preferite
– Le piante di riso più basse sono quelle più
infestate da Ancyloxypha numitor
Età dei tessuti delle piante
• La resistenza dei tessuti delle piante al danno da insetti varia in modo marcato
durante la vita ed è specifico dell’età
• Piante meno resistenti agli insetti nei primi stadi di sviluppo
– In alcune cultivar di riso la tolleranza a Nilaparvata lugens non è evidente in
piante di 7 giorni, mentre lo è in quelle di 20 giorni
– Le piante di riso “IR36” resistenti a Nephotettix virens sono meno resistenti a
10 gironi dall’impianto in confronto alle manifestazioni di più alta resistenza a
20, 40 e 60 giorni dall’impianto
– Lo stesso trend di resistenza è manifesto
• Nel fogliame del pomodoro selvatico verso L. decemlineata
• Nel mais dolce verso Heliothis zea
• Nel orzo verso Ropalosiphum padi
• Piante più resistenti agli insetti nei primi stadi di sviluppo
– Nelle piante di sorgo la resistenza verso Ropalosiphum maidis, Peregrinus
maidis e Locusta migratoria migratoroides
• E’ legata ad un più alto tasso di rilascio di cianuro e ad una più alta
concentrazione di p-idrossibenzaldeide nella superficie cerosa delle
foglie
– Nelle piante giovani e più piccole di mais la resistenza verso Ostrinia
nubilalis
• E’ legata al più alto contenuto di DINBOA rispetto a piante più grandi e
più mature
Tipo di tessuto delle piante
• Nelle piante di soia
– Le foglie più succulenti alla sommità della pianta sono preferite da
Heliothis zea rispetto alle foglie più basse
• Nelle piante di cultivar soia resistenti a Pseudoplusia
includens
– Le due foglie sommitali completamente espanse sono più sensibili
all’insetto delle altre lungo il fusto
• Nelle piante di Melilotus infestans
– Le foglie sommitali sono più sensibili a Sitona cylindricollis
• Nella cultivar “CIND” di pepe dolce
– Le foglie sommitali sono più resistenti a Trialeurodes vaporariorum
di quelle più vecchie e più mature
La resistenza delle piante agli insetti è
influenzata anche da una precedente
esposizione a vari stimoli
Precedenti ferimenti da insetti o da mezzi
meccanici induce incrementi di resistenza
di molte piante coltivate agli insetti
• Resistenza indotta nella pianta
– E’ definita come l’aumento quantitativo e qualitativo di un
meccanismo di difesa contro gli esseri dannosi in risposta
a stimoli estrinseci fisici o chimici
• Le risposte indotte delle piante a danni meccanici
possono far parte di una reazione difensiva generale
– Perché alcuni allelochimici liberati
» Sono simili a quelli sviluppati durante
infestazioni da patogeno
• Resistenza indotta da danni meccanici e da danni
dovuti all’attività alimentare di insetti
– In piante di pomodoro l’induzione si può avere
• dopo 4 ore dall’aggressione e questa
– Può rimanere efficace per 7 giorni
– Può rimanere attiva in alcune piante per 3 anni
– In piante di cotone l’attività alimentare di Heliothis zea
• Induce la produzione e l’incremento del livello di composti fenolici
che determinano sintomi antibiotici verso le proprie larve
– In cultivar di soia resistenti agli insetti l’abrasione
meccanica delle foglie
• Aumenta la resistenza della pianta a Pseudoplusia includens.
– In Pinus taeda la scarificazione della corteccia
• Aumenta la resistenza della pianta a Dendroctonus frontalis.
• Il ferimento induce due tipi di cambiamenti chimici
che coinvolgono i fenoli
• Ossidazione di fenoli endogeni preformati che conduce
alla differenziazione di chinoni tossici
• Sintesi di mono o difenoli che agiscono come composti
difensivi
– In Picea excelsa e Solanum dulcamara
• L’aumento della concentrazione di fenoli avviene in associazione
con la risposta ipersensitiva di cultivar resistenti in seguito
all’alimentazione da parte di insetti
• Le piante resistenti di Solanum dulcamara producono
– Cellule necrotiche nel punto di attacco
– Accumulano composti polifenolici dopo 4 ore dall’attacco
Delia antiqua
Peregrinus maidis
Lygus hesperus
Locusta migratoria migratoroides
Trialeurodes vaporariorum
Rheumaptera hastata
Ancyloxypha numitor
Sitona cylindricollis
Plagiodera versicolora
• La defogliazione come fatto per l’acquisizione di
resistenza ai danni da insetto
– In Betulla papyrifera le foglie di piante preventivamente
defogliate sono più resistenti
• Ai danni da alimentazione delle larve di Rheumaptera hastata
– In Betulla pubescens e B. pendula il fogliame di piante
precedentemente danneggiato è più resistente
• Verso le larve di Spodoptera littoralis, rispetto al fogliame non
danneggiato.
– In Quercus rubra e Q. velutina con storiche defogliazini
da parte di Lymantria dispar sono più resistenti
• Alle più recenti infestazioni rispetto alle piante non danneggiate in
precedenza
– In Salix alba e S. babylonica i danni alle foglie rendono le
piante resistenti
• Verso le larve di Plagiodera versicolora.
– In Salix sitchensis i danni al fogliame induce resistenza
• A Hyphantria cunea.
Infezione dei tessuti della pianta da malattie
• La resistenza delle piante agli insetti può essere
aumentata dalla risposta immunitaria delle piante ad
infezioni da malattie
– In piante di Lolium perenne il fogliame con alti
livelli di infezione da Acremonium lolie è più
resistente verso
» Listronotus bonariensis, Sphenophorus
parvulus, Spodoptora frugiperda e S. eridania.
• La valutazione della possibilità di indurre resistenza
agli insetti indotta da parte dei funghi nella gestione
delle loro popolazioni
– E’ annullata dal fatto che il fungo produce alcaloidi tossici ai
vertebrati
• La resistenza dei tessuti asportati della
pianta
– Nessuna differenza è stata notata
• Sulla resistenza di Solanum a Myzus persicae
quando sono state condotte prove
– Con foglioline asportate dalla pianta
– Con piante in campo
• Sulla quantità di Fagiolo verde consumata da
Epilachna varivestris quando sono state condotte
prove
– Con foglie tagliate
– Con piante intatte
Continua
– Differenze sono state notate
• Therioaphis maculata
– Vive bene su piante recise di erba medica
trifogliata
– Vive meno bene su piante intatte di erba
medica trifogliata
• Zonocercus variegatis
– Rifiuta le foglie di Cassava di piante intere
– Mangia rapidamente le foglie di Cassava dopo
un ora dalla loro scissione dalla pianta
» Per il rapido calo di cianuro nei loro tessuti,
presente nelle foglie intatte
Variabilità entro insetti test
• L’età, il sesso e pretrattamento condizionanti
l’insetto
– Sono variabili importanti da essere provate prima di
procedere con la valutazione del materiale vegetale
• Il periodo di picco dell’attività dell’insetto test e il
livello della infestazione dell’insetto sulle piante
test
– Sono variabilità importanti da determinare prima di
procedere con la valutazione del materiale vegetale
• L’età dell’insetto
– L’età dell’insetto test è direttamente proporzionale alla
quantità di biomassa vegetale ingerita durante la
valutazione della pianta
• Quindi l’età dell’insetto, che, molto accuratamente,
mostra differenze tra cultivar resistenti e suscettibili, è
adatto per evidenziare questi fatti
Epilachna varivestis
– 3 giorni dopo lo sfarfallamento si nutre sia di
piante suscettibile che resistenti
– 14 e 35 giorni dallo sfarfallamento le differenze
nella quantità di foglie consumato è significativa
» Sebbene le differenze siano significative a 35
giorni dallo sfarfallamento, la quantità di
individui che mangiano è solamente la metà di
quelli di 14 giorni
• Il sesso degli insetti
– Può influenzare il risultato di valutazione di resistenza della
pianta
• Le femmine degli insetti fitofagi consumano più fogliame dei
maschi
– Perché devono soddisfare le richieste di proteine per la
produzione delle uova
– Perché l’attività di accoppiamento può interferire con l’attività
alimentare del maschio
• Le femmine di Leptinotarsa decemlineata consumano in
modo significativo più fogliame sia di cultivar di pomodoro
resistenti che suscettibili
• Le femmine di Lissorhoptrus oryzophilus mangiano cultivar di
riso con differenti gradi di resistenza all’insetto in quantità
maggiore dei maschi
– Gli insetti maschi e femmine rispondono diversamente agli
allelochimici
• L’attrazione di Lissorhoptrus oryzophilus verso i composti
volatili delle gemme fiorali di Trifolium spp. è più grande nelle
femmine
• L’attrazione di Conopthorus ponderosa verso la resina delle
pigne è maggiore nelle femmine in confronto ai maschi
• Il periodo di attività dell’insetto
– Hypera postica è presente sulle piante
• In numero maggiore di giorno durante i mesi autunnali, invernali
e primaverili
• In numero maggiore di notte durante i mesi caldi estivi
– Cerotoma trifurcata su piante di soia in campo sono
• Meno abbondanti dalle ore 11,00 alle 13,00
• Più abbondanti dopo le ore 15,00
– Entrambi gli esempi indicano che
• La valutazione di campo deve essere condotta
– Al momento in cui gli insetti test sono più abbondanti
• Il campionamento della popolazione deve essere evitato
– Durante i periodi nei quali il tipo di attività e l’habitat
preferenziale dell’insetto sono cambiati
• Il Livello di infestazione dell’insetto
– La determinazione del particolare livello di
infestazione su piante test è necessaria per
evitare di sovra o sotto stimarene la resistenza
• Il punto di partenza, usualmente, è il livello
minimo di infestazione dell’insetto che causa
un danno significativo alle piante
– Per eliminare rapidamente una grande quantità
di piante in un programma di sceening per la
resistenza
• Si può porre sulle piante una infestazione più
pesante rispetto al normale
• I condizionamenti del presaggio
– Le condizioni nelle quali gli insetti sono tenuti prima dei test ne
possono influenzare il comportamento durante la valutazione della
resistenza della pianta
– Digiuno
• L’attrazione di Dysdercus koenigii verso i semi di cotone aumenta
in proporzione al periodo di digiuno
• L’attrazione di Schistocerca gregaria verso l’odore dell’erba
aumenta con il periodo di digiuno
– Alimentazione su piante suscettibili
• Il sorgo suscettibile “RS671” causa una predisposizione di
Schizaphis graminum ad alimentarsi su sorgo
– Alimentazione su piante differenti
• Le larve di Heliothis zea alimentate con fogliame di alcune
cultivar hanno risposte alimentari differenti a estratti di “barbe del
mais”
– Questo indica la necessità di standardizzare la dieta degli
insetti utilizzati per valutare la resistenza delle piante
Variabili ambientali
La valutazione della resistenza delle piante è
soggetta a variazioni causate da effetti ambientali
– Le variazioni sono dovute a cambiamenti
nella
• Illuminazione
• Temperatura
• Fertilità del suolo
• Umidità del suolo
• Agrochimici
Hyphantria cunea
Zonocercus variegatis
Dysdercus koenigii
Listronotus bonariensis
Lissorhoptrus oryzophilus
Schistocerca gregaria
Sphenophorus parvulus
Cerotoma trifurcata
Trichoplusia ni
• L’illuminazione
– Fotoperiodo
• Un fotoperiodo lungo aumenta la resistenza di Lycopersicon
hirsutum f. glabratum verso Manduca sexta
– Perché incrementa la produzione di 2-tridecanone, un allelochimico
tossico all’insetto
• Sotto una illuminazione continua la cultivar di soia “Niyako White”
perde la sua resistenza verso Trichoplusia ni
– Capacità che riacquista dopo due settimane passate sotto un
fotoperiodo 16:8
– Qualità di luce
• In cultiar di medica resistente agli insetti la diminuzine della
intensità di illuminazione riduce
– La produzione di essudati da parte dei tricomi ghiandolari
• Nel sorgo la più bassa intensità di luce conseguente ad un cielo
nuvoloso
– Ha come conseguenza un ridotta produzione di fenoli la cui
concentrazione è direttamente correlata alla resistenza agli insetti
• Una ridotta intensità luminosa limita l’espressione di resistenza
– Nel mais, barbabietola e soia
• La temperatura
– Le alte temperature
• Nel grano ne diminuiscono la resistenza verso alcuni biotipi di
Mayeticola destructor
• Nel sorgo ne diminuiscono la resistenza verso Schizaphis
graminum
– Le basse temperature
• In alcuni cloni di medica temperature al disotto di 10° – 15°C
rispetto a quelle normali di stagione ne esauriscono la
resistenza verso Acrythrosiphon pisum
– Le temperature fluttuanti naturalmente
• Nella medica la differenza di resistenza tra cloni resistenti e
suscettibili è più evidente sotto temperature fluttuanti rispetto a
temperature costanti che rappresentano la media del regime di
fluttuazione
• La fertilità del suolo
– Fertilizzazione con azoto
• L’aumento di azoto nel terreno riduce la resistenza di piante
resistenti di mais e di arachidi verso Spodoptera frugiperda
• L’aumento di azoto nel terreno incrementa la resistenza di
piante di miglio verso Spodoptera frugiperda
– Fertilizzazione con fosforo
• L’aumento di fosforo nel terreno incrementa
– La resistenza di piante di miglio verso Spodoptera
frugiperda
– La resistenza di piante di medica verso Therioaphis
maculata
– Fertilizzazione con potassio
• L’aumento di potassio nel terreno incrementa la resistenza di
piante medica verso Therioaphis maculata
• L’aumento di potassio nel terreno incrementa la resistenza di
piante di sorgo verso Schizaphis graminum
– Per la valutazione della resistenza delle piante agli insetti è
necessario standardizzare la qualità e la quantità degli emendanti
utilizzati per la crescita delle piante
• L’umidità del suolo
– Una deficienza di umidità accelera il collasso delle
proteine delle foglie causando
– Un aumento del contenuto di azoto nella linfa
floematica
– Un aumento del contenuto di zuccheri nel floema in
seguito all’idrolisi dell’amido
• Questo determina un aumento degli afidi che si
nutrono di quella pianta
– Allo stesso tempo l’aumento della viscosità della
linfa floematica rende difficile l’alimentazione agli
afidi
– L’umidità del suolo deve avere un valore il più possibile
costante per una accurata misura della resistenza della
pianta all’insetto
• I prodotti agrochimici
– Applicazioni di erbicidi
• Il 2,4D (acido 2,4-Dichlorophenoxiacetico) utilizzato
nella coltivazione della cultivar di grano “Selkirk”
normalmente suscettibile a Cephus cintus ne
incrementa di due volte la mortalità dell’insetto
– Applicazioni di regolatori di crescita delle piante
• La cultivar di sorgo “BOK 8” normalmente suscettibile
a Schizaphis graminum quando è trattata con CCC
[(2-cloroetil)trimetilammonio cloride] e con PIX [N,Ndimetilpiperidio cloride] aumenta la resistenza verso
l’afide.
• In piante di cotone l’applicazione di PIX accresce la
produzione dell’allelochimico gossipolo tossico per
Heliothis virescens.
La risposta dell’insetto alla
difesa della pianta
• Adattamento dell’insetto alle proteasi inibitrici della difesa
della pianta
– Il tratto digestivo degli insetti non è un semplice e passivo
bersaglio dei composti della difesa delle piante
• Spesso possono adattarsi a questa sfida trattando con successo le
varie tossine e antimetaboliti nella loro dieta
– I meccanismi di contro difesa coinvolgono
• Un ampio numero di geni in cellule che foderano il tratto digestivo,
• Le proteasi digestive bersagliate dalle proteasi inibitrici
– L’adattano degli insetti alle proteasi inibitrici avviene per
• Superproduzione delle proteasi digestive esistenti
• Induzione selettiva di proteasi insensitive a quelle inibitrici
– Le larve di Callosobruchus maculates ritardate nel loro sviluppo dalla
cisteina della soia inibitore della proteasi (scN) che ne sopprime
l’attività enzimatica digestiva, sono capaci di inziare alcune strategie
contro difensive
» Adattandosi a scN aumentando molto la loro capacità proteolitica
attraverso l’espressione degli enzimi scN-sensitivi e scNinsensitivo ripristinando così la normale alimentazione e sviluppo
Questo adattamento rende le larve di C. maculates capaci di
idrolizzare e così inattivare scN
• Programmata regolazione di sviluppo di numerose proteine isoformi
varianti la loro sensibilità a una specifica proteasi inibitrice
– Proteasi inibitrici di difesa delle piante possono inativarsi da se
stesse per diretta frammentazione proteolitica
• La saliva dell’insetto sconfigge le difese della pianta
– Gli insetti erbivori possono adattarsi alla pianta ospite sopprimendo
i primi eventi associati con la ricognizione della pianta e il segnale
di traduzione
– Gli enzimi salivari che producono specie reattive di ossigeno
(ROS) possono
• Distrugge il percorso octadecanoide per la sintesi di JA
• Indurre la sintesi di SA un inibitore del percorso octadecanoide
• Lo scoppio ossidativo è capace di ossidare la sistemina e una sua più
grande porzione può essere ossidata quando l’enzima glucosio
ossidasi (GOX) è secreto nei siti di alimentazione
• L’enzima GOX nella saliva di Helicoverpa zea può prevenire la
induzione della nicotina per inibizione diretta di JA
• L’enzima GOX inibisce l’attività della soia lipossigenasi
– La saliva degli insetti che sconfigge le difese della pianta può
essere una caratteristica della corsa evolutiva agli armamenti tra
piante e insetti
– Apparentemente gli insetti sono abili a sopprimere la resistenza
indotta incrementando SA che inibisce la biosintesi di JA
• Elusione degli insetti fitomizi alla risposta della pianta al
ferimento
–
–
–
Gli insetti fitomizi emettono enzimi idrolitici quando si nutrono simili a quelli rilasciati dai funghi
durante l’inserimento e l’accrescimento delle ife nei tessuti della pianta
Su sorgo l’infestazione di Schizaphis graminum determina
– Una forte induzione dei geni della resistenza ai patogeni (PR) indotta da SA
» Le cui proteine non hanno manifestato un ruolo diretto nella difesa della pianta
dall’afide
» In piante di sorgo resistenti a S. graminum non si è verificata una maggiore
attività di chitinasi e glucanase
– Una debole induzione da ferita e dei geni JA con scarso accumulo dell’ormone
regolante mRNAs
– Un ridotta infestazione di S. graminum è stata osservata in semenzali trattati
preventivamente con JA
» Questo suggerisce l’efficacia della difesa delle piante elicitata da JA contro
l’infestazione di afidi
– Il sorgo quando è attaccato da afidi tende ad attivare difese inefficaci (segnale di
trasduzione mediato da SA) e disattivare quelle efficaci
» Questa conclusione è supportata dal fatto che un certa quantità di afidi preferisce
piante preinfestate alle sane, perché l’attività alimentare dell’afide oltre che
provocare la difesa della pianta determina cambiamenti nel floema
nutrizionalmente vantaggiosi
– L’orzo quando è infestato da S. graminum produce etilene
Su Arabidopsis l’induzione della risposta a Myzus persicae dipendente da SA non conferisce a
resistenza all’afide
•
Alcune inadeguate attivazioni della espressione dei geni della difesa
sono possibili
– 1°) Gli afidi causano un minimo danno ai tessuti che potrebbe
produrre insufficienti livelli di JA per la induzione dei geni della
difesa
– 2°) La forte induzione della risposta dipendente da SA può avere
soppresso la via segnalante JA per interferenza
– 3°) La possibilità è che la ferita induca etilene endogeno che possa
sopprime i geni indotti da JA
• Fenomeno osservato in numerose piante elicitato dalla saliva o
da tessuti danneggiati
• Dirottamento da parte degli insetti dei meccanismi di difesa
della pianta
– Gli insetti possono accrescere l’espressione degli enzimi disintossicanti citocroma
P450s in risposta agli allelochimici della pianta
• Helicoverpa zea
• Induce P450s dopo avere incontrato gli allelochimici della pianta può anche
• Percepire le molecole segnale della pianta: JA e SA come segnali per regolare i
geni di questo enzima disintossicatore anche prima della biosintesi degli
allelochimici nella pianta
– Questo segnale ofre una protezione di tipo profilattica contro la pianta
molto sofisticata
– Le piante appartenenti alle Brassicace sintetizzano i glucosinolati prodotti secondari
a bassa tossicità
• Quando l’enzima myrosinasi, un β-thioglucosidase, rimuovere il β-glucosio dai
glucosinolati, da luogo a un prodotto intermedio instabile da cui possono trarre
origine una varietà di prodotti tossici, che dissuado gli insetti ad alimentarsi, tra
questi
– Il complesso glucosinolate-myrosinase il cosi detto “mustard oil bomb” che
si forma quando i tessuti danneggiati mettono a contatto l’enzima
myrosinasi con i glucosinolati
• Plutella xylostella un insetto specilista che si nutre di crucifere impedisce
– La formazione della “mustard oil bomb” attraverso l’induzione dell’enzima
glucosinolate sulfatase che trasforma i glucosinolati i desolfati glucosinolati
non più visibili all’enzima mirosinasi impedendo la formazione della
“mustard oil bomb”
Biotipi di insetti che superano
la resistenza della pianta
Il significato
– Le proprietà protettive di cultivar resistenti agli
insetti
• Possono essere soprafatte dallo sviluppo di biotipi
che posseggono una capacità a superare la
resistenza della pianta insita nel proprio patrimonio
genetico
• Questi biotipi sono il risultato di una selezione
– Che si sviluppa da una popolazione parentale in
risposta alla esposizione a cultivar resistenti
• Biotipi di insetti
– Popolazioni entro una specie che variano per la loro
abilità ad utilizzare una pianta coltivata
– In alcune specie i biotipi sono distinguibili per
• La morfologia come in Nilaparvata lugens e
Schizaphis graminum
• Il colore o la forma come in Acrythosiphon pisum e
Macrosiphun avenae.
• Il comportamento alimentare
• La preferenza dell’ospite
• L’abilità a trasmettere virus
• La resistenza a insetticidi
• Il tasso di sviluppo di biotipi di insetti resistenti è
governato
• Dalla frequenza iniziale di geni che superano la resistenza
della pianta
• Dalla intensità e durata della selezione
• Dalla estensione geografica a cui le cultivar resistenti sono
piantate in mezzo a tutta una serie di ospiti dell’insetto
• Dalle improprie pratiche agricole come
– L’eliminazione delle erbacce
– La mancata rotazione
– L’uso improprio di insetticidi
– Può succedere che la capacità genetica di un insetto a superare
la resistenza della pianta è così grande che il valore della
resistenza è annullato prima ancora che la cultivar resistente sia
usata in modo molto esteso su basi geografiche
• Tale fenomeno si è verificato in popolazioni di Brevicoryne
brassicae esposte a cultivar resistenti di cavoletti di
Bruxelles
Distribuzione tassonomica dei biotipi
• In relazione ai criteri menzionati 14 specie di insetti
mostrano biotipi capaci di superare la resistenza genetica
della pianta agli insetti
• Queste specie sono
– 9 afidi nei quali la riproduzione partenogenetica
contribuisce molto alla affermazione di questi biotipi
– Mayetiola destructor e Orseolia oryzae che infestano le
ampie monocolture cerealicole mostrando un alto
potenziale riproduttivo
– Nilaparvata lugens, Nephotettix virescens e N. cincticeps
che si sviluppano continuamente su grandi monocolture
di riso
Storia di casi di sviluppo di biotipi
Piante da frutto
• Due biotipi di Eriosoma lanigerum si sviluppano sulle
foglie di differenti cloni di melo in Australia
– Il biotipo Clare (nativo) è avirulento su cultivar resistenti
– Il biotipo Blackwood è virulento su cultivar normalmente
resistenti al biotipo Clare
• Quattro biotipi di Aphorophora rubi sono differenziati su
differenti cultivar di lampone in Inghilterra
– I geni per la resistenza ai biotipi 1, 2 e 3 sono stati identificati
• Tre biotipi di Dysaphis devecta sono stati identificati
gene per gene su cultivar di melo in Inghilterra
– I biotipi 1 e 2 sono avirulenti su “Cox’s Orange Pippin” che è
protetto dal gene Sd1
– La resistenza al biotipo 1 c’è nella cultivar “Northern Spy” ed è
dovuta al gene Sd2
– La resistenza al biotipo 3 in Malus robusta e M. zumi è legata al
gene Sd3
Legumi
• Tre biotipi di Acrythrosiphon pisum sono stati trovati su
pisello in campo e in serra
• Cinque biotipi di Acrythrosiphon pisum sono stati
differenziati per il colore, il peso e differente
sopravvivenza su differenti specie di legumi
• Sei biotipi di Therioaphis maculata (A;B;E;F;H in Arizona
e H in Nebrascka) sono stati identificati in base alla
risposta differenziata al clone di medica “Moapa”
– Lo sviluppo dei biotipi in Therioaphis maculata
pare abbia seguito una progressione gene per
gene
• Sebbene l’analisi delle piante di medica è difficile per le
condizioni di eterozigosi e tetraploidia
• Tre biotipi di Therioaphis maculata (C; D e G) sono
resistenti ai fosforganici
Colture industriali
• Cinque biotipi di Rhopalosiphum maidis (KS-1, KS-2,
KS-3, KS-4, KS-5) sono state trovate su mais
– KS-2 è capace di sopravvivere su sorgo coltivato
resistente a KS-1
– KS-3 è capace di infestare piante di grano
– KS-4 è capace di riprodursi su piante di orzo a bassa
temperatura (13° C)
– KS-5 è tollerante a una temperatura elevata (29° C)
ed è capace di nutrirsi su Triticum timopheevi
resistente agli altri biotipi
• Biotipi di Nilaparvata lugens in coltivazioni di riso resistenti agli insetti
nelle Filippine sono stati rilevati e identificati per
– Il differente comportamento alimentare indicato dal peso della melata
raccolta dai tre biotipi
– La loro morfologia
• Biotipi di Orseolia oryzae sono stati trovati in coltivazioni di piante di riso
resistenti all’insetto
– Biotipi dell’insetto in Tailandia, Indonesia e India esistono, basando il
loro sviluppo e sopravivenza su un gruppo di cultivar provenienti
dall’India e dalla Tailandia
– I biotipi Orissa e India aggrediscono solo le cultivar appartenenti al
gruppo Eswarakora
– I biotipi Andhra Pradesh non aggrediscono le cultivar del gruppo
Eswarakora e Ptb
– Il Biotipo proveniente dalla Tailandia è più virulento
• Non aggredisce solo la cultivar Ptb
• E’ più grosso ed ha meno grandi setole nell’addome rispetto al
biotipo proveniente dall’India
Biotipi di Schizaphis graminum infestanti cultivar resistenti di
grano
– Il biotipo E è capace di svilupparsi sul biotipo “Amigo” resistente al
biotipo C
– Alcune cultivar resistenti al biotipo C manifestano una resistenza di
tipo antixenotica verso il biotipo E
– Il biotipo E ha un comportamento alimentare e una fecondità
normale su cultivar resistenti al biotipo B
– Il biotipo E manifesta una superiorità fisiologica rispetto al biotipo C
con un aumento dell’attività degli enzimi digestivi pectina metil
esterasi e polisaccarasi e un tasso riproduttivo due volte superiore
– Il biotipo E richiede una scotofase più lunga per produrre maschi di
quanto occorra al biotipo C
– Il biotipo F differisce dal biotipo E per l’abilità ad uccidere “Canada
bluegrass”
– Il biotipo G non ha effetti sulla cultivar di orzo “Wintermalt” sensibile
a tutti gli altri biotipi
– Il biotipo H può nutrirsi efficacemente sulla cultivar di orzo “Post”
normalmente resistente a tutti gli altri biotipi
Lo sviluppo di differenti biotipi Mayeticola destructor è
strettamente parallelo allo sviluppo delle cultivar di grano
– Il biotipo A è omozigote recessivo per la virulenza sulla cultivar
“Seneca” (geni H7 e H8)
– Il biotipo B possiede un gene addizionale virulente ed è capace di
distruggere la resistenza del gene H3 nella cultivar “Monon”
– Il biotipo C ha una reazione opposta al gene H3 nella cultivar di
grano “Monon” e al gene H6 nella cultivar di grano “Knox”
– Il biotipio D è simile al biotipo B ma è anche virulento al gene H6
di “Knox 62”
– Il biotipo E è simile al biotipo C ma manca di virulenza quando è
allevato sulla cultivar “Seneca” (geni H7 e H8)
– Il biotipo F reagisce similmente al biotipo C in risposta a geni H3,
H5 e H6 e similmente al biotipo A in risposta ai geni H7 e H8
– Il biotipo G è avirulento in risposta ai geni H7 e H8 e si comporta
come il biotipo D in risposta ai geni H3, H5 e H6
– I biotipi J e L sono entrambi virulenti al gene H5, mentre
differiscono nella risposta al gene H6 resistente al biotipo J
Biotipi di Brevicoryne brassicae sono presenti
• Su Brassica napus in Nuova Zelanda
• Sui cavolini di Bruxelles in Inghilterra
Fattori che contribuiscono o impediscono la
selezione del biotipo resistente dell’insetto
– Le cultivar con combinazioni di caratteri di antibiosi e
antixenosi sono meno inclini a favorire
• Lo sviluppo di biotipi da insetti polifagi rispetto alle
cultivar con solo caratteri di antibiosi
– Combinando differenti categorie di resistenza in una
cultivar si può anche aiutare il rallentamento nello
sviluppo dei biotipi
– Le cultivar tolleranti sono normalmente più stabili che
quelle resistenti per antibiosi e antixenosi
• Una effettiva gestione pratica di insetti che
superano la resistenza della pianta su cosa si
basa?
– Sull’uso di una cultivar con un quadro genetico di base
della resistenza
• Questo si ottiene con lo sviluppo di cultivar con
resistenza orizzontale ciò esiste
– In alcune cultivar di medica resistente al biotipo
“western” di Therioaphis maculata.
– Nella cultivar del riso “IR36” che ha una
prolungata resistenza a Nilaparvata lugens
» In seguito ad una resistenza orizzontale
espressa da alcuni geni minori
– Nelle piante lo sviluppo della resistenza orizzontale
• E’ un processo che nel lungo periodo può essere un
obiettivo estremamente sfidante per
– I produttori di piante
– Gli entomologi
• La resistenza delle piante agli insetti come è stata
conseguita con successo?
– Attraverso la resistenza verticale
• Basata sulla realizzazione sequenziale di cultivar
con geni maggiori come
– Nel grano a Mayeticola destructor
– Nel melo a Eriosoma lanigerum
– Nel riso a Nilaparvata lugens
Genetica e eredità di piante
resistenti agli insetti
• Le conoscenze della genetica della resistenza agli
insetti delle piante
• E’ importante specialmente se biotipi di insetti sono
inclini a svilupparsi sulla cultivar soggetta ad indagine
– Queste conoscenze abilitano il miglioratore a sviluppare
cultivar con ampie basi di resistenza
• Per il miglioratore è utile che la resistenza sia
associata a un carattere morfologico della pianta
• La genetica della resistenza delle piante agli insetti è stata
studiata fin dall’inizio del ventesimo secolo
– Quando fu dimostrato che un carattere di resistenza a
Eriophyes gossypii nel cotone era ereditabile
Il metodo usuale per determinare
l’espressione genetica della resistenza è
valutare la F2 derivata dall’incrocio tra
genitori suscettibili e resistenti
• Diallel crosses (Croce diallel)
– Coinvolge alcuni genitori resistenti e suscettibili usati anche in
studi ereditari
– E’ utilizzato per indagare le basi genetiche dei caratteri quantitativi
– Tutti i genitori sono attraversati per rendere ibridi in tutte le
combinazioni possibili
• General combining ability di una cultivar a trasmettere
resistenza
– La sua varianza può essere stimata dalla linea dei singoli mezzi
quando il complesso delle combinazioni coinvolge una
determinata linea
– E’ primariamente una misura di effetti addizionali che sono
sottomessi a selezione
– E’ determinata dal livello medio di resistenza delle piante F1 e F2
in tutti gli incroci che coinvolgono quella cultivar
• Specific combining ability
– La sua varianza include il residuo così come la dominanza,
l’epistasi e gli effetti dell’interazione
– E’ misurata dalla quantità di resistenza trasferita da una cultivar in
un singolo incrocio con solamente un altro genitore
• Una misurazione standard addizionale della
espressione genetica della resistenza
coinvolge
– La determinazione della ereditabilità o la
variazione osservata nella progenie di un
incrocio che avviene
• Per gli effetti additivi di geni dalle piante
resistenti, dove differenti alleli contribuiscono
– Alla resistenza
– All’effetto epistasico (quando un gene ha un
effetto subordinato o sovraordinato rispetto a un
altro gene) degli alleli
– Ai semplici effetti dominanti e recessivi
Metodi di miglioramento genetico usati
per lo sviluppo della resistenza delle
piante agli insetti
Mass selection (Selezione di massa)
• L’obiettivo è la selezione di sorgenti di resistenza in
ciascuno dei cicli di selezione
• Questo obiettivo coinvolge
– La selezione di individui resistenti di piante dopo
ciascuna generazione
– La combinazione dei loro semi e la loro coltivazione
nella generazione successiva come un gruppo
aggregato di piante
• Il più grande progresso nella resistenza è fatto nella
selezione iniziale a cui seguono da 2 a 5 cicli
addizionali di selezione
Il metodo è stato usato con successo per aumentare
la resistenza della patata a Empoasca fabae
Linebreeding e pure line selection
• Sono forme di selezione di massa che coinvolgono
– La selezione di individui resistenti di piante che sono
cresciute separatamente
• In ciascun ciclo di selezione le selezioni resistenti
sono autofertilizzate
– Se la resistenza è cercata in una impollinazione
incrociata
• Le selezioni individuali sono interpiantate in un
ulteriore ciclo di selezione per formare un incrocio
composito di tutte le piante selezionate
Recurrent selection
• Selezione ricorrente di geni favorevoli attraverso ripetuti
cicli di selezione
• E’ usata per concentrare i geni delle piante resistenti
dispersi in parecchie differenti fonti
– In ciascun ciclo sono raccolte le piante resistenti tra la
progenie prodotta dall’accoppiamento di individui
resistenti
• Ottenendo con ciò un incremento del livello medio
della resistenza
• Il metodo permette
– La produzione di una cultivar resistente all’insetto con la
minima quantità di incroci
– L’introduzione di resistenza a insetti addizionali da
differenti sorgenti nei cicli più recenti di selezione
• Il metodo è stato usato per incrementare la resistenza in
piante di
– medica, cotone, mais, patata dolce e rapa
Hybridization methods
• Concede molta libertà nella selezione di fonti di resistenza
– Perché molti genotipi divergenti possono essere
combinati per ottenere un alto livello di diversità
genetica
• L’ibridazione consiste nella selezione della resistenza entro
e tra una popolazione di piante test
– La procedura coinvolge
• la selezione delle piante F2 per alti livelli di resistenza
• la selezione di piante resistenti entro la famiglia
selezionata F3
• la selezione per la resistenza dell’intera famiglia F4
F4 diventa più importante per migliorare i caratteri
agronomici
F2 e F3 sono importanti per la selezione di alti livelli di
resistenza e per una larga varianza genetica
Ibridazione:
schema di incroci fatti
sul riso per una
resistenza multipla a
Tryphoryza incertula,
virus e ruggine batterica
Pedigree breeding
• Descrive un protocollo da utilizzare durante l’incrocio di specie autoimpolinanti e a
impollinazione incrociata nello sviluppo di linee omozigote
• Coinvolge la selezione di individui di piante in popolazioni segregantisi sulla base
della resistenza all’insetto e alla genealogia
– Inizialmente è creato un ibrido e tutti i semi di F1 sono preservati e ripiantati
– Le migliori piante F2 sono selezionate e piantate
– Nella generazione F3 sono selezionati 25-50 semi delle famiglie resistenti
– Nella generazione F4 un campione di ciascuna delle famiglie F3 resistenti
(semi di 50-100 piante) sono piantati e la selezione viene fatta entro
ciascuna famiglia
– Nella generazione F5 campioni provenienti da famiglie resistenti F4 (semi
di 50-100 piante) sono piantati e poi valutata la resistenza e la produzione
per eliminare i soggetti inidonei per questo ultimo carattere
• Questo metodo di selezione ha lo svantaggio
– Legato all’autoimpollinazione
– Al fatto che solo un limitato numero di entrate possono essere processate
in seguito al tempo extra necessario per piantare raccogliere e
l’acquisizione di dati per ciascuna entrata
• Il metodo è stato usato per aumentare nel riso la resistenza a Nephottetix
virescens, Nilaparvata lugens
Pedigree breeding
Diagramma
schematico di un
programma per la
introduzione della
resistenza di una
pianta ad un insetto
Θ indica una pianta
selezionata
Bulk breeding
• La coltivazione di popolazioni geneticamente
diverse di auto-impollinazione in una trama alla
rinfusa, con o senza selezione di massa
• Metodo usato anche per incorporare la resistenza
all’insetto in cultivar autoimpollinanti
– Il metodo è uguale a quello del Pedigree
breeding
• La selezione non avviene prima di F5
Backcross breeding
• Un sistema per l'integrazione di tratti desiderabili
semplicemente ereditati
• Coinvolge l’uso di incroci ricorrenti su uno dei parenti
(ricorrenti) di un ibrido accompagnato da selezione per la
resistenza
– Il parente non ricorrente è una sorgente di resistenza
all’insetto con un più alto livello di resistenza usato in un
precedente incrocio
• Il metodo è stato usato per una rapida incorporazione
di resistenza in cultivar suscettibili di importanza
agronomica
• Nel riso per la resistenza a Nilaparvata lugens
• Nella soia per la resistenza a Epilachna varivestis e
Heliothis zea
Backcross breeding
Diagramma di un
programma per trasferire la
resistenza all’insetto da un
parente non ricorrente in
una cultivar suscettibile
all’insetto:
Il parente ricorrente (RP).
I punti nella progenie
indicano la percentuale di
materiale genetico (geni
resistenti) che hanno
contribuito al sorgere della
resistenza
Fattori influenzanti le indagini sulla
ereditarietà
–
–
–
–
–
Fisiologia della pianta
Fattori genetici della pianta
Fattori ambientali
Limitazioni nelle risorse fisiche umane
La incompatibilità genetica e l’abbattimento
negli incroci in alcune cultivar ad impollinazione
incrociata
• Può ridurre rapidamente il vigore della pianta
in un programma di incroci
• Può determinare difficoltà a trasferimenti a
donatori di piante parentali
Il tasso di progresso nella riproduzione e
nelle ricerche sulla eredità
• E’ governato
– Dall’azione additiva, recessiva, dominante e epistatica di geni
– Dal numero di loci di geni per un dato fattore di resistenza
– Dal fatto che la resistenza di una cultivar può cambiare con la sua
maturità
• La progenie di incroci coinvolgenti piante resistenti e piante
suscettibili di differente maturità, può diventare molto difficile da
selezionare
– Dalla quantità di semi necessaria per determinare adeguatamente
l’eredità
– Dal numero di geni che sono coinvolti nella resistenza che è
generalmente molto grande
• Per controllare questo processo è necessario
– Ingrandire considerevolmente la popolazione di piante per
analizzare l’eredità
– Avere controllato l’uniforme infestazione degli insetti
– Avere disegni sperimentali che permettano
» Studi separati di meccanismi di resistenza che richiedono
campionamenti distruttivi
Strategie per lo sviluppo di geni per la
resistenza agli insetti
La resistenza poligenica
• Ritarda la sviluppo di biotipi resistenti con maggiore dispendio
di tempo
– Alcune cultivar di riso con resistenza a lepidotteri
minatori del culmo sono rimaste per alcuni anni senza lo
sviluppo di resistenza ai fitofagi
La resistenza monogenica
• Usualmente conduce ad una modalità di rilascio di cultivar
sequenziali
– Con un gene differente
– Con un arrangiamento di un gene
• Per rimanere un gradino più avanti della mutante macchina
genetica dell’insetto dannoso
La resistenza orizzontale o poligenica (Resistenza di
campo)
•Utilizza un numero di sorgenti, ciascuna con un gene minore della
resistenza, che sono mescolate e ammesse per l’incrocio
•La resistenza orizzontale
– Generalmente è considerata più stabile di quella verticale
– Non è rapidamente sopraffatta da biotipi di insetti distruttori di
resistenza
•La resistenza orizzontale è ottenuta per
– Selezione
– Accoppiamenti casuali per ottenere nuove combinazioni di geni
– Selezione ricorrente per aumentare la frequenza dei geni della
resistenza
•I Problemi potenziali che si presentano sono
• La mancanza introduzione di materiale genetico non collegati in
una linea di allevamento di specie autoimpollinanti
• La necessità di una uniforme infestazione
– Il problema nel riso e nel sorgo è stato parzialmente superato con
l’uso di linee maschio sterili resistenti agli insetti
Resistenza verticale o monogenica
• Fa affidamento sull’effetto di un singolo gene maggiore
– Che causa un alto livello di resistenza a certi segmenti
di popolazioni di insetti nocivi
• Questa resistenza è meno stabile di quella orizzontale
– Perché può essere sopraffatta da biotipi di insetti
Opzioni per l’uso della resistenza verticale
• 1° Rilascio di un gene maggiore fino a quando è efficace a costruire un
successivo (sequenziale) rilascio di geni addizionali
– Il rilascio di cultivar sequenziale è stato usato per lo sviluppo di
geni in cultivar di riso resistenti a Nilaparvata lugens.
• 2° Piramidare due o più geni maggiori in una cultivar
– Questa tecnica è stata usata per proteggere cultivar di riso (IR36)
con resistenza a N. lugens.
– La rotazione di geni è stata usata per ostacolare lo sviluppo di
biotipi di N. lugens
• Cultivar di riso con un determinato set di geni sono cresciute nel
periodo umido della produzione
• Cultivar di riso con un differente set di geni sono cresciute nella
stagione secca del periodo produttivo
• 3° Lo sviluppo e lo spiegamento di piante coltivate multilinee
• Con combinazioni di geni resistenti maggiori e minori, per la
protezione contro gli insetti
– Multilinee geografiche di grano resistenti a Mayeticola destructor
sono coltivate in differenti aree produttive degli USA
•Il modello di simulazione deterministico di Gould
– Per predire quanto tempo un insetto dannoso richiede per adattarsi
a due fattori di resistenza antibiotica della pianta quando sono
sviluppati
– Sequenzialmente come una cultivar multilinee
– Piramidalmente in una singola cultivar
– I risultati indicano che le cultivar multilinee a due geni rilasciate
sequenzialmente sono meno resistenti che le cultivar piramidate
ma la loro resistenza è più duratura
– La durabilità di una cultivar piramidate è ulteriormente aumentata
piantandone una percentuale del raccolto totale di una cultivar
suscettibile all’insetto
• Una specifica simulazione basata sulla interazione Mayeticola
destructor con grano resistente seminato in autunno conferma
la predizione generale anzi detta circa l’uso di una
combinazione di cultivar con due geni della resistenza
piramidati e alcune piante totalmente suscettibili
• La resistenza dipendendo dalla iniziale frequenze dell’allele
delle popolazioni di M. destructor
– E’ predetta per un minimo di 90 fino a 400 generazioni
dell’insetto cioè da 45 a 200 anni
Effetto dell’impianto di cultivar resistenti a Mayesticola destructor a due geni piramidati in
annuale alternanza con una cultivar suscettibile in proporzione di 1:1. (A) frequenza iniziale
di 0,10 degli alleli a e b del dittero. (B) iniziale frequenza dell’allele di 0,04
• In contrasto modellizando la simulazione di tutti gli 8 geni
coinvolti nella resistenza del grano a Mayeticola destructor
si generano, qualche volta risultati differenti riguardo
– La mancata durabilità delle cultivar a gene piramidato
rispetto al rilascio sequenziale delle cultivar rilascio
• In questa simulazione il rilascio sequenziale di un gene ogni
4 anni
– Mantiene una resistenza circa 10 volte più lunga
• In confronto a quanto succede se la resistenza di
tutti gli 8 geni fosse stata piramidata in una singola
cultivar e rilasciati simultaneamente
• Uno ulteriore svantaggio del rilascio di una cultivar con
alcuni geni piramidati sono
– Il lungo periodo di sforzi per lo sviluppo della cultivar
– Il rischio nel collocamento di tutti i geni conosciuti della
resistenza in una singola cultivar
Effetto dei geni del grano resistenti a Mayesticola destructor sul benessere
relativo dell’insetto (W); (a) geni rilasciati simultaneamente in una cultivar, (b) geni rilasciati
simultaneamente in 8 differenti cultivar, (c) geni rilasciati simultaneamente in cultivar
separate ciascuna per 9, (d) geni rilasciati simultaneamente in cultivar separate ciascuna
per 10. Hi = ciascuno degli 8 alleli della resistenza in (d)
Il modello di simulazione deterministico di F. Gould che
predice la durabilità della resistenza del grano a Mayeticola
destructor
– Tutti i valori sono generati su valori aspettati senza una partenza a caso
– Sviluppa un modello di simulazione, per esplorare alcuni dei fattori ecologici
generali e genetici che possono influenzare la durabilità del germoplasma
resistente all’insetto
– Esplora il sistema insetto che ha
• Una semplice riproduzione diploide
• Un accoppiamento a caso
• Una generazione per coltivazione
– I maschi di Mayeticola destructor usualmente non mettono nel loro sperma i
cromosomi dei loro padri
– I fattori esaminati includono
• Il metodo di dispiegamento in campo del germoplasma resistente
• La pressione selettiva imposta sulla popolazione dell’insetto dal fattore o
fattori di resistenza
• Il modo di eredità delle caratteristiche nell’insetto per adattarsi al fattore o ai
fattori di resistenza
• La frequenza iniziale di queste caratteristiche adattative nella popolazione
dell’insetto
– La struttura di base del modello considera
• Due fattori indipendenti di resistenza, a Mayeticola destructor che possono
essere incorporati singolarmente o insieme in cultivar di grano
• Due loci, collegati o meno, che modificano l’effetto dei due fattori di
resistenza sull’insetto
–
–
–
–
Allele a al locus I è il codice per l’adattamento al fattore di resistenza I
Allele A è il codice per il mancato adattamento al fattore di resistenza I
Allele b al locus II è il codice per l’adattamento al fattore di resistenza II
Allele B è il codice per il mancato adattamento al fattore di resistenza II
– Il modello è stato esteso per seguire l’esistenza di due subpopolazioni
M. destructor (X e Y) con migrazione di femmine accoppiate
– Il modello assume che la proporzione di uova nel campo Y che sono
deposte da femmine originatesi nel campo X è direttamente legato alla
densità relativa delle femmine nei due campi al momento della
emergenza delle femmine
– Il modello assume, dove non è specificato, che il benessere dei
genotipo di M. destructor AaBB, aaBB, AABb, e AAbb sono tutti eguali
al benessere di AABB su piante di grano aventi entrambi i fattori di
resistenza, nei casi in cui gli eterozigote sopravvivono sono spesso
molto più piccoli degli omozigoti
Esplorazione del modello
Tutte le piante devono avere almeno un fattore di resistenza
– Le strategie di base
• Rilascio sequenziale di due cultivar pure con un fattore ciascuna
• Piramidazione di entrambi i fattori in una cultivar pura
• Mescolanza di semi che per il 50% hanno il fattore di resistenza I e il
restante 50% il fattore di resistenza II
– Quando si assume la non dominanza e l’iniziale frequenze del gene dello 0.1
• La durabilità della resistenza è sempre meno che 9 generazioni
dell’insetto (4,5 anni)
• La strategia della Piramidazione è meno duratura (1 generazione) che
il Rilascio sequenziale
– Quando si Incrementa la dominanza degli alleli A e B
• La strategia della Piramidazione è più duratura (16 generazione) che il
Rilascio sequenziale
– Quando gli alleli a e b sono a bassa frequenza, il dominio di A e B e l’epistasi
tra i loci I e II tendono a rallentare il tasso di adattamento di M. destructor
– Quando il dominio e l’epistasi sono presenti agiscono sinergicamente nel
diminuire la componente della variazione fenotipica dovuta ad una additiva
varianza genetica
• Così la strategia del rilascio piramidato è predetta essere molto efficace
alla frequenza del gene leggermente inferiore a 0,10
• L’effetto dell’addizione di piante totalmente suscettibili
– La riduzione della pressione selettiva su genotipi non adattati di M.
destructor entro campi di grano
• Potrebbe far aumentare la durabilità di ciascuna delle strategie di base
sviluppate
• Potrebbero essere molto efficaci quando il dominio e l’epistasi sono i
componenti del benessere dell’insetto
– Il mescolamento di semi resistenti con quelli sensibili nel rapporto 9:1 riduce
o annulla le perdite
• Tenuto conto che il dittero opprime solo un numero limitato di piante e
che l’ovideposizione non è correlata con l’antibiosi delle cultivar
– Un miscuglio di semi resistenti e suscettibili di 8:2 può proteggere
adeguatamente la coltura
– Se il benessere relativo del dittero AABB sulle piante con uno o due fattori di
resistenza è di ca. 4% del loro benessere su piante totalmente suscettibili
• il loro benessere medio (ω) in una piantagione
– ω con il misto 9:1 potrebbe essere (0,9)(0, 04)+(0,1)(1,0)=0,136
– ω con il misto 8:2 potrebbe essere (0,8)(0, 04)+(0,2)(1,0)=0,232
– Anche se il dittero AABB non sopravive su piante di grano resistenti il suo
benessere in piantagioni con il misto 8:2 potrebbe essere 0,20 e questo
potrebbe
• Ridurre la pressione selettiva e provocare il maggior numero delle
inizialmente molto rare forme del genotipo aabb ad accoppiarsi con
quello AABB causando il disfacimento dei genotipi adattati
• Un singolo fattore di resistenza più piante suscettibili
– Mescolando il 20% di semi di piante di grano suscettibili con l’80% con
quelli di piante con un singolo fattore di resistenza si è estesa la
durabilità del germoplasma sequenzialmente rilasciato specialmente se
c’è dominanza degli alleli A e B
• In tale situazione la durabilità è due volte maggiore che i piantagioni
con il 100% di piante con un singolo fattore di resistenza
• Due fattori di resistenza piramidati più piante suscettibili
– Il modello predice che se si assume una frequenza iniziale di a e di b
dello 0,10 e una forte dominio di A e di B lo sviluppo delle piante grano
resistenti mescolate con il 10 o il 20% di piante totalmente suscettibili
potrebbe portare la resistenza ad almeno a >50 e >100 generazioni
rispettivamente
– Anche con solamente un parziale dominio di A e di B la durabilità è
grandemente aumentata dalla strategia della piramidizzazione
coinvolgente il 20% di piante totalmente suscettibili
– Se si assume un forte dominio e epistasi con a e b con una frequenza
iniziale di 0,05
• La durata della resistenza supera le 400 generazioni. Questa
indefinita durabilità succede anche se la frequenza iniziale di 0,01 è
assunta con solo parziale dominio o parziale epistasi
• Effetti materni
– L’effetto materno sulla sopravivenza delle larve eterozigote è
importante per esplorare il possibile effetto di questa caratteristica
sulla durabilità
– La simulazione di un effetto extra cromosomico materno può
causare una riduzione nella durabilità dei fattori di resistenza simile a
quella dovuta a un incompleto dominio di A e B
– Nel modello fu assunto che fino a quando l’allele adattato fu dato
dalla madre ci può essere un costante effetto maternale
• Gli effetti differenti sul benessere di maschi e femmine
– La simulazione indica che incrementando il benessere nella femmina
eterozigote si riduce la durabilità più che con un uguale incremento
di benessere nel maschio eterozigote
• Quando il benessere della popolazione di 0,80 è il criterio usato
per misurare la durabilità
– Una ulteriore complicazione si ha quando l’aumento del benessere
delle femmine determina un incremento nella nel tasso di crescita
della popolazione mentre un incremento del benessere del maschio
eterozigote a poco o nessuno effetto sul tasso di crescita della
popolazione a meno che non causi un aumento nella percentuale
delle femmine non accoppiate
• Gene connessione
– Le precedenti conclusioni sono legate al fatto che non c’è un connessione gene
strutturale tra i loci, ma poiché è assunto che i maschi generalmente non usano i
componenti dei padri nella produzione dello sperma
– Il componente genetico della femmina nel maschio è assunto essere passato senza
effetti nella ricombinazione
• Ad esempio se non c’è perdita di geni parentali e la femmina è AABB mentre il
padre è aabb il 25% dello sperma dei maschi discendenti potrebbe essere ab,
mentre con la perdita del gene parentali 0% dello sperma potrebbe essere ab
• Con la perdita del gene parentale il tasso di formazione del genotipo aabb è
raro quando a e b sono rari ma potrebbero preservare loro una volta formati
– Nel modello M.destructor la perdita del gene paternale causa una debole più rapido
adattamento della popolazione del dittero nel sistema a dispiegamento piramidato
quando è assente una connessione gene strutturale (21 generazioni nel modello
generale diploide, 17 generazioni in quello M.destructor)
– Quando il tasso di ricombinazione è per una mancata ricombinazione a caso la
durabilità del sistema piramidato è sostanzialmente diminuita
– Quando c’è una completa connessione tra due loci del dittero, ma non un
disequilibrio di connessione tra gli alleli a e b le cultivar piramidate dureranno tre
volte così a lungo quanto ciascuna singola cultivar con un singolo fattore di
resistenza
– L’inziale disequilibrio di connessione degli alleli a e b potrebbe influenzare la
durabilità della cultivar piramidata e della seconda cultivar nel rilascio sequenziale
• Se a e b sono in disequilibrio di accoppiamento la durabilità potrebbe
decrescere
• Se a e b sono in disequilibrio di repulsione la durabilità potrebbe aumentare
• Modello a due campi con migrazione
– Lo sviluppo della strategia considerata coinvolge
• Cultivar pure o misture dove le piante di grano di differente resistenza
sono distribuite a caso nel campo
• Le misture sono piantate come matrici di appezzamenti di cultivar pure
che superano i 100mq l’accoppiamento a caso dei ditteri che sfarfallano
non è assicurato
– L’estensione degli incroci entro la generazione delle sub-popolazioni in
campi adiacenti dipende dal comportamento di movimento dei maschi
durante la loro vita riproduttiva e da quello delle femmine durante le prime
ore di vita
– Se lo sviluppo del dittero è più lungo su una cultivar rispetto ad un’altra
l’accoppiamento a caso è ulteriormente distrutto
– Le femmine generalmente vanno più lontano dei maschi ed per il flusso dei
geni è molto importante il movimento delle femmine dopo l’accoppiamento
– Nel modello a due campi la densità iniziale del dittero è uguale
• La crescita e il declino della popolazione è basata su un semplice
modello esponenziale con generazioni discrete nelle quali il tasso di
restituzione R0 è direttamente correlato alla media di sopravvivenza
delle larve in un campo
Modello a due campi con impiantamento alternato di una cultivar con due fattori di resistenza piramidati
e una cultivar suscettibile nei campi comparati a 1:1 mistura randomizzata di piante resistenti e
suscettibili in entrambi i campi.
(a sinistra) la frequenza iniziale di a e b è 0,10; ωaaBb e ωAabb su piante resistenti sono 0’28, la linea
alla base descrive il basso cambiamento nella sequenza degli alleli quando è usata una mistura
randomizzata di semi 1:1. Con una mistura 1:1 92 generazioni sono richieste prima che ω arrivi a 0.80
(a destra) lo stesso co A, eccetto che ωaaBb e ωAabb sono uguali a ωAABB = 0,04; con una mistura
1:1 sono necessarie 435 generazioni prima che ω arrivi a 0.80
• Effetti della scala spaziale di interpiantamento sulla
durabilità
– Se si assume che una metà del grano in un area è piantato con cultivar
resistente a un singolo fattore o piramidata e l’altra a cultivar totalmente
sensibile
– Due tipi di impiantamento sono possibili
• Il primo implica la metà del dei campi impiantati con cultivar di grano
resistenti e l’altra con cultivar sensibili
• Il secondo implica che tutti i campi siano impiantati con una mistura
randomizzata di semi la metà dei quali è resistente e l’altra metà
suscettibile
– Incorporando la migrazione nel modello due campi si può comparare la
durabilità di queste due strategie
• La mistura 1:1 di semi di grano piramidato e suscettibile è specialmente
vantaggiosa perché conduce in alcuni casi ad una resistenza quasi
indefinita
• La durabilità a livello di campo della “mistura” è strettamente legata al
tasso di migrazione (1-10%) e la interazione del tasso di migrazione con
la diminuzione della grandezza della popolazione del dittero nel campo
con il grano resistente
• La grandezza della popolazione del dittero nel campo suscettibile diventa
molto più alta gli insetti migranti dal campo suscettibile elimina il non
comune adattato genotipo nel campo resistente
– Questo può condurre a una diminuzione della percentuale di
sopravvivenza nel campo resistente
• Alternanza di piante resistenti e suscettibili
– Il grano resistente è sempre piantato nel campo X e quello
suscettibile nel campo Y questo conduce ad una bassa
abbondanza del dittero nel campo X e nessuno fattore riducente
la popolazione nel campo Y
– In questa situazione l’agricoltore può decidere di limitare il danno
da M. destructor rotando l’uso delle cultivar resistenti tra i campi
– Tale rotazione potebbe fare decrescere la durabilità della
resistenza perché ditteri con alcuni alleli resistenti potrebbero
essere condotti ad incrementare molto durante altre generazioni
– Addizionalmente la grandezza della popolazione in entrambi i
campi potrebbe essere la stessa, così la migrazione potrebbe
essere importante
• La durabilità in questa situazione potrebbe essere più alta
che dove fu usato un diffuso piantamento di grano resistente,
ma la durabilità aspettate nella mistura randomizzata 1:1
potrebbe essere molto più basso da >90 a >400 generazioni
Cephus cintus
Macrosiphun avenae
Orseolia oryzae
Nephotettix cincticeps
Dysaphis devecta
Chrysodeixis eriosoma
Brevicoryne brassicae
Eriosoma lanigerum
Tenebrio molitor
• Il modello è utile per predire qualitativamente e
non quantitativamente la durabilità in un
specifico sistema raccolto/infestante
• Il modello indica che in futuro potrebbe avere
valore piramidare due o più geni del grano per la
resistenza a M. destructor in una cultivar e
piantando semi di questa mescolati con quelli di
una cultivar sensibile
• La possibilità di incrementare la durabilità
sarebbe più alta
– Se fosse data attenzione nella scelta dei geni
resistenti nel grano per i quali i geni della virulenza di
M. destructor non appaiono essere strutturalmente
connessi e inizialmente a bassa frequenza
– Con l’impiego del 50% di piante resistenti rispetto al
90% di queste
L’INGEGNERIZZAZIONE DELLE
PIANTE PER LA RESISTENZA AGLI
INSETTI
Gli ogm, ultima frontiera della scienza di Borlaug
(miglioratore dei principali cereali per la resa e le
qualità), hanno certamente dei nemici a cui lui
diceva:
“La storia della terra e lo sviluppo dell’uomo si basano
sugli organismi geneticamente modificati. I rischi
dell’oggi, se rischi ci sono, devono essere messi sulla
bilancia assieme a milioni di vite salvate. Questi sono il
male minore che evita a milioni di persone nel mondo
di morire di fame, il punto è che la ricerca deve essere
affidata a centri pubblici e non privati”
Ingegnerizzazione genetica delle
piante per l’espressione della tossina
Bt
Modalità di azione del Bt
•
•
•
Le spore del Bt contengono una protossina proteica o cristallo
codificata dal gene (cry) presente su un plasmidio del batterio
L’ingestione di spore da parte dell’insetto fa sì
– Il cristallo si dissolva
– La protossina sia legata da una proteinasi dell’intestino
dell’insetto in modo da generare la tossina attiva del Bt
– La tossina attiva si lega a uno specifico recettore glicoproteico
situato nella membrana delle cellule dell’intestino
– La tossina interagisce con la membrana cellulare inserendo parte
delle proprie molecole a formare un canale nella membrana
• Questo permette il libero passaggio degli ioni
– La tossina crea canali destabilizzanti il bilancio della
concentrazione ionica stabilita attraverso le membrane
• Questo determina la morte e la lisi delle cellule dell’intestino
Le tossine del Bt formano una grande serie di performanti insetticidi
naturali
– La tossina Cry 1 è comunque il tipo più comune
• La strutturazione di piante transgeniche che
esprimono queste tossine è complicato
– Sono state necessarie considerevoli modificazioni ai
geni delle tossine del Bt
• Per ottenere adeguate espressioni nel conferimento di
resistenza delle piante transgeniche verso gli insetti
• Due tipi di modificazioni sono state necessarie
– Alterazione della sequenza delle proteine della
tossina del Bt
– Alterazione della sequenza dei geni
• Alterazione della sequenza delle proteine
della tossina del Bt
• Il gene della tossina Bt è codificato per una protossina
– La regione N-terminale della proteina codificata
mostra significative omologie di sequenza
– La regione C-terminale è molto più variabile sia in
sequenza che in lunghezza
• Le regioni N-terminali sono resistenti ai legami
proteolitici e formano la parte tossica della protossina
– Queste contengono una sequenza altamente
conservativa di aminoacidi al C-terminale della
processata tossina attiva che sembra agire
• Come un sito di processamento per l’attivazione
della protossina
• La struttura della tossina proteica del Bt contiene tre
domini
• Il primo dominio (N-terminale) contiene approssimativamente 250 aminoacidi e
forma una banda elicoidale con 6 α-eliche che ricoprono una α-elica
– Questa parte della molecola è responsabile della formazione dei pori nelle
cellule epiteliali dell’intestino dell’insetto, una volta che è capace di inserire
se stessa dentro il doppio strato lipidico
• Il secondo dominio, di approssimativamente 200 aminoacidi, consiste di tre nastri
– E’ responsabile del legame al recettore glicoproteico sulla superficie
determinando con ciò la specificità d’azione della tossina
• Il legame sulla superficie appare essere necessario affinché ci sia una
effettiva formazione di pori
– Esperimenti di ingegnerizzazione di proteine hanno mostrato che
scambiando il dominio II fra differenti tossine cambia anche la specificità
dell’azione tossica delle tossine
• Il terzo dominio, di approssimativamente 150 aminoacidi, è ancora
prevalentemente composto di β nastro, ripiegato in β-sandwich
– Non ha un chiaro ruolo funzionale
• Può essere responsabile della stabilità di struttura dell’intera molecola
• Può determinare specificità nella formazione di pori
Geni di tossine Bt contenenti protossine complete
codificanti sequenze in piante
Sono stati espressi geni di tossine troncate che codificano
solamente la regione N-terminale delle proteine contenenti
le tossine attive
• I livelli di espressione delle molecole di tossine attive
erano
– Una o due volte più alte in magnitudine nelle piante
transgeniche
– Più del 0,01% delle proteine totali
• Questo livello di espressione mostra che le piante
transgeniche esprimenti la tossina Bt aumenta la
resistenza agli insetti fitofagi
– Negli esperimenti iniziali furono prodotte
• Piante di tabacco che esprimendo varie tossine Cry1A diminuivano
la sopravvivenza delle larve di Manduca sexta
• Piante di pomodoro trasformate che esprimevano Cry1A erano
protette dalle larve di Helicoverpa armigera e Heliotis zea
Alterazione della sequenza dei geni
• Geni codificanti tossine Bt furono ricostruiti da
combinazione di mutagenesi e sintesi oligonucleotidica
per produrre geni sintetici
– I geni codificano le stesse proteine, ma hanno codoni
tipici per il genoma della pianta, così tutti i processi di
segnali aberranti erano rimossi
• Il livello di espressione delle tossine Bt di questi geni
sintetici fu incrementato nell’ordine di grandezza di due
volte (più dello 0,3% delle proteine totali) quando fu
espresso in piante transgeniche
– A questo livello di protezione offerta dall’espressione
delle tossine Bt sono simili a quelle ottenute con
insetticidi chimici
• Con mortalità delle specie di insetti suscettibili del 100% per
un lungo periodo di tempo
Esempi di piante transgeniche resistenti agli
insetti esprimenti la tossina Bt
• Nel cotone e nel mais transgenico il gene modificato
cry1Ab è stato utilizzato per il controllo dei lepidotteri
fitofagi
– Pectinophera gossypiella, Heliothis virescens,
Elicoverpa armigera e Ostrinia nubilalis.
• Nella patata le piante ingegnerizzate per l’espressione del
gene modificato cry3A sono state fatte per il controllo di
– Leptinotarsa decemlineata
• Nella patata il gene cry1Ab è stato utilizzato per proteggere
in immagazzino i tuberi dalle larve di lepidotteri
• Nel riso, le piante ingegnerizzate per l’espressione dei geni
modificati cry1Ab e cry1Ac per combattere rice stem borer
Piante transgeniche che esprimono
inibitori degli enzimi digestivi degli
insetti
Gli inibitori delle proteinasi
• Il legame o aggancio è accompagnato da idrolisi del
legame peptidico nell’inibitore
– Che determina la propria specificità attraverso
particolari tipi di proteasi
• L’inibizione di enzimi digestivi
– Ha un effetto diretto sullo stato nutrizionale dell’insetto
– Determina una sintesi eccessiva di enzimi digestivi
• Dovuta a un meccanismo di feedback messo in atto
nel tentativo di utilizzare il cibo ingerito
• Il ruolo degli inibitori di enzimi nella difesa delle piante da
insetti è fornita dai siti di sintesi e accumulo di queste
proteine
– Normalmente accumulate nei tessuti di riserva, come
semi o tuberi, e possono raggiungere concentrazioni del
2% delle proteine totali
Piante transgeniche esprimenti inibitori della serinaproteinasi
• Il Bowman-Birk inibitrice della serina-proteinasi del fagiolo dall’occhio
(Vigna anguiculata)
– Il primo gene originario di una pianta che fu trasferito su un’altra
specie di pianta con l’obiettivo di migliorare la resistenza a insetti
– Questo contiene due siti di inibizione attivi contro la tripsina bovina
(CpTI)
– Un semplice costrutto fu preparato dove la lunghezza totale della
sequenza era derivata da un clone di cDNA che era sotto il controllo
del promotore 35S del virus del mosaico del Cavolfiore (CaMV)
• Il gene inibitore II del pomodoro (che codifica un inibitore di tripsina con
alcune attività inibitorie della chimotripsina), quando è espresso in
tabacco
– Mostrava di conferire resistenza agli insetti solo quando veniva usato
il promotore CaMV 35S
• Ma non quando veniva utilizzato il promotore inducibile da ferita
– Simili risultati sono stati ottenuti con il PI-II della patata quando
espresso in tabacco contro Chrysodeixis eriosoma.
Inibitore delle proteinasi
Pianta
trasformata
tabacco
riso
CpTI (cowpea trypsin inhibitor)
PI-II (potato proteinasi inhibitor II)
Fitofago target
Heliothis virescens
Chilo suppressalis, Sesamia inferens
patata
Lacanobia oleracea
fragola
Otiorhynchus sulcatus
tabacco
Manduca sexta, Chrysodeixis eriosoma, Spodoptera exigua
Riso
Chilo suppressalis, Sesamia inferens
Helicoverpa punctigera
NaPI (Nicotiana alata multi-functional
inibitor)
tabacco
SKTI (soya bean Kunitz trypsin inhibitor)
patata
Lacanobia oleracea
OC-I (riceoryzacystatin)
pioppo
Chrysomela tremulae
tabacco
Bemisia tabaci
Insect
Serpins
(Manduca
haemolymph proteinasi inhibitors)
sexta
Piante transgeniche che esprimono
inibitori della cisteina-proteinasi
I geni codificanti inibitori della cisteina-proteinasi nel
controllo di coleotteri in piante transgeniche
– Sono stati evidenziati gli effetti deleteri che questi inibitori
hanno verso specie di coleotteri una volta che sono stati
incorporati nella loro dieta artificiale
– Tuttavia ci sono ancora pochi dati pubblicati che
descrivono il loro effetto insetticida sulla pianta
• Un esempio è l’uso del gene codificante l’inibitore
cisteina-proteinasi, oryzacystatin, che è stato espresso
costitutivamente
– In pioppi transgenici, che hanno acquisito la
resistenza alla specie Chrysomela tremulae
Piante transgeniche che esprimono
inibitori di amilasi digestive
Inibitori di α-amilasi di insetti
• Sono largamente distribuiti nelle piante
– Dove sono accumulati in tessuti simili a quelli degli
inibitori di proteine (sebbene essi non siano coinvolti
nella risposta al danno)
• Queste proteine svolgono un probabilmente un ruolo
nella resistenza ai lepidotteri dannosi
• Queste proteine svolgano una attività insetticida
significativa verso coleotteri fitofagi, soprattutto di
granaglie
– Per esempio inibitori di α-amilasi purificate da
grano e da Phaseulus vulgaris hanno mostrato
essere tossici verso specie di coleotteri, che
normalmente si nutrono di queste specie, quando
inserite in una dieta artificiale
• L’inibitore di α-amilasi di Phaseulus vulgaris è codificato da
un gene chiamato llp
• Il gene chimerico consiste
– In una sequenza codificante del gene della lectina che
codifica llp
– Nelle sequenze 5’ e 3’ fiancheggianti del gene che
codifica la sub unità della lectina
– phα-2 è stata costruita ed espressa in tabacco
• Il promotore in questo costrutto è seme-specifico in modo
che il prodotto transgenico sarà solamente accumulato nei
semi
– I semi provenienti da queste piante trangeniche che
esprimono l’inibitore α-amilasi del fagiolo contengono
l’attività inibitrice contro la α-amilasi porcino pancreatica
• La α-amilasi presente nell’intestino medio di Tenebrio molitor
Piante transgeniche resistenti agli
insetti che esprimono lectine
• Le piante accumulano le lectine in alcuni tessuti di
riserva
– Semi, bulbi e corteccia
• Questi tessuti possono accumulare valori superiori all’1% delle
proteine totali
– La distribuzione delle lectine è universale, ma la quantità
accumulata varia fortemente
• Le lectine sono coinvolte
– Nella interazione fra cellule
– Nell’interazione fra le piante e i batteri simbionti
• Rizogenes spp. che fissano l’azoto
• Le lectine hanno un ruolo di proteine di riserva
– In seguito alla quantità accumulata in eccesso rispetto a
quella richiesta per il suo ruolo nell’interazione fra cellule
•
Le lectine
– Legano specificatamente residui di carboidrati
• Sia di zuccheri liberi e sia, più comunemente, oligo o
polisaccaridi
– Sono distinte dagli enzimi
• Non avendo azione sui carboidrati tranne che sul legame fatto da loro
stessi
– Contengono siti multipli di legame
• Così possono legare a oligo o polisaccaridi
•
•
– Il legame specifico ai residui di carboidrati non è un indicatore
delle sue proprietà insetticide
Le lectine
– Sono anche chiamate aglutinine da quando il cross-linking di
catene laterali di carboidrati sulla superficie cellulare delle
glicoproteine, conduce alla formazione di aggregati di cellule ed a
una visibile agglutinazione di cellule come i globuli rossi
Molte lectine
– Sono tossiche verso gli animali superiori
• Questo enfatizza la possibilità che queste proteine simili a
enzimi inibitori
– Facciano parte dei meccanismi di difesa delle piante
contro gli insetti, altri parassiti e patogeni
• Le lectine
– Si legano alle cellule dell’intestino in un numero di specie
– Questo non è sufficiente a produrre tossicità
• Le lectine
– Possono legarsi alla membrana peritrofica dell’intestino
medio dell’insetto
• Questo può causare il blocco fisico della membrana
peritrofica interferendo con l’assorbimento del cibo
• Il legame avviene attraverso specifici glicopolipeptidi
– Non è chiaro se la specificità di legame può essere
correlata alla tossicità, visto che recettori non sono
stati caratterizzati
• Le lectine
– Possono essere trasportate attraverso le pareti
dell’intestino nell’emolinfa dell’insetto
• Così l’effetto sistemico può essere importante nella
tossicità delle lectine
Le lectine
• Sono attive contro gli omotteri fitofagi non suscettibili, in genere, agli
inibitori delle proteinasi
– Alcune lectine causano un significativo decremento della
sopravvivenza Nilaparvata lugens
– Le due proteine più attive sono le lectine della snowdrop (GNA;
mannosio-specifiche) e del “germe di grano” (WGA; GlcNAcspecifico)
• La lectina “snowdrop” (GNA) è molto tossica verso la cicalina
verde del riso Nephotettix cinciteps
• La lectina “snowdrop” (GNA) inibisce lo sviluppo di Myzus
persicae e dell’afide della patata, Aulacorthum solani, sebbene
l’effetto sulla sopravvivenza siano modesti
• La lectina “snowdrop” (GNA) riduce significativamente la crescita
e ritarda lo sviluppo quando è presente nella dieta di Lacanobia
oleracea nella concentrazione del 2% delle proteine totali
• La lectina di Canavalia ensiformis (Con A) è molto tossica verso
l’afide del pisello Acyrthosiphon pisum con effetti sulla crescita e
sulla sopravvivenza
• La lectina del “germe di grano” (WGA) è causa di mortalità per
l’afide del cavolo Brevicoryne brassicae quando è incorporata
nella dieta artificiale
La lectina snowdrop (GNA) in tabacco e riso
• E’ stata espressa nel floema
– Utilizzando un gene costruito contenente la sequenza
codificante GNA guidata dal promotore (RSs1) del
gene saccarosio sintetasi del riso
– Il promotore RSs1 dirige l’espressione del gene
reporter gus nel tessuto floematico delle foglie, culmi,
piccioli e radici delle piante di tabacco transgeniche
• Questo può essere utilizzato per produrre costrutti
dove l’espressione del gene insetticida è ottimizzata
per la protezione di piante transgeniche verso gli
omotteri fitomizi
• Il riso transgenico contenente il costrutto RSs1-GNA ha
mostrato di accumulare GNA in tessuti vascolari ed
epidermici
– Riduce la sopravvivenza di Nilaparvata lugens
• Nelle piante transgeniche che esprimono
lectine
– Il livello di protezione raggiunto verso i fitofagi target
non è generalmente abbastanza alto per essere
commercialmente sviluppate
• Le piante transgeniche che esprimono
lectine
– Possono giustificarsi per quelle colture transgeniche
con parziale resistenza che possono trovare posto in
agricoltura
– Specialmente se la resistenza prodotta dalla
lectina transgenica fornisce additività agli
esistenti geni endogeni di resistenza parziale
Piante transgeniche resistenti agli
insetti che esprimono enzimi
La lipossigenasi
– Ossida gli acidi grassi insaturi a lunga catena nei loro
perossidi
– E’ responsabile della sviluppo di irrancidimento della
farina di legumi
• L’espressione di geni di lipossigenasi è indotta da
ferita e dall’attacco di patogeni in molte specie di
piante
• La lipossigenasi è considerata parte del sistema di
difesa endogena della pianta, sebbene non è ancora
chiaro esattamente quale ruolo svolga esattamente
– E’ tossica verso le larve di lepidotteri quando è
somministrata in dieta artificiale
La colesterolo ossidasi fu identificata come
– Proteina insetticida su larve di coleottero
Gestione della resistenza attraverso
l’evoluzione ingegnierizzata
La gestione della resistenza
– Tenta di prevenire nei nemici naturali l’evolvere
della contro resistenza alle cultivar resistenti
• Possibilità in molti casi impossibile
• Attualmente sono state sviluppate strategie che
teoricamente
– Rallentano l’evoluzione della contro resistenza
prolungando i benefici della resistenza
genetica ingegnerizzata
• Con queste strategie i biologi sperano di ridirigere
il corso della evoluzione
• La Tecnica dell’alta dose/strategia
rifugio (HDR)
• L’HDR (high-dose/refuge strategy) coinvolge
– L’ingegnerizzazione di una cultivar
• Per produrre una alta dose di una tossina
– La piantagione mista
• Di una varietà suscettibile e di una resistente
• Il funzionamento della strategia HDR si
basa su
– Alcuni principi di base dell’evoluzione
Primo principio evolutivo
• Il tasso al quale un allele vantaggioso aumenta in frequenza
in una popolazione dipende fortemente dal suo grado di
dominanza
– Un allele completamente recessivo
• Si diffonde molto più lentamente che un allele dominante o
additivo
– Perché inizialmente è presente in forma eterozigote ed è protetto
dalla selezione.
• La parte “alta dose” della strategia è rivolta ad assicurare
che gli alleli che conferiscono una controresistenza siano
effettivamente recessivi anche se
• La DL50 dell’eterozigote è intermedia fra quella degli omozigoti
– Nei quali la contro resistenza non è ne dominante ne recessiva
• Una dose abbastanza alta della tossina
– Ucciderà ancora più del 99 % degli eterozigoti, rendendo la contro
resistenza effettivamente recessiva
Secondo principio evolutivo
• Il tasso di incremento nella frequenza degli alleli deve
essere proporzionale alla differenza nella fitness tra genotipi
• Il “rifugio”
– E’designato alla lenta diffusione di un allele della controresistenza
• Per ridurre la differenza del benessere tra gli omozigoti per
questi alleli e gli altri genotipi
• Il “rifugio”
– E’ fornito dalle piante non resistenti che permettono agli insetti
suscettibili di riprodursi in modo sostanziale
• Anche con un piccolo “rifugio” le differenze nel benessere sono
marcatamente ridotte, ritardando fortemente il tasso di
incremento dell’allele di controresistenza
• Il “rifugio”
– Produce insetti abbastanza suscettibili
– Riduce fortemente la probabilità che i rari insetti controresistenti
accoppiandosi con ciascun altro producano una discendenza
controresistente
Terzo principio evolutivo
•
•
•
In molte situazioni L’HDR può posporre l’evoluzione della contro
resistenza indefinitamente
La contro resistenza alle tossine è spesso costosa
– Come è evidenziato dalla rapida eliminazione della contro
resistenza ad un pesticida quando il suo uso è discontinuo
– Il costo se manifestato in eterozigoti riduce la loro fitness totale
al di sotto di quella degli omozigoti suscettibili
• Gli omozigoti suscettibili tenderanno a prevenire gli alleli che
conferiscono alla contro resistenza la incapacità di
incrementare la loro frequenza quando sono rari
La mancata conoscenza di come la contro resistenza è spesso
costosa negli eterozigoti impedisce
– La predizione di come la resistenza geneticamente
ingegnerizzata è evolutivamente stabile per periodi indefiniti
sotto la strategia HDR
Le predizioni teoriche di questa strategia poggiano su
assunzioni non provate circa le basi biologiche degli
insetti dannosi
• L’assunzione è che l’organizzazione spaziale dei rifugi può
essere disegnata per assicurare
• Un indiscriminato accoppiamento a caso
– L’accoppiamento a caso e indiscriminato può essere compromesso
» Anche se la superficie è grande tanto da condurre ad una
preponderanza degli accoppiamenti entro la stessa
superficie
– Tali accoppiamenti assortiti producono relativamente più omozigoti
contro resistenti e meno eterozigoti
» Riducendo l’efficacia della recessività (quando, in un individuo
eterozigote, il carattere indotto dall'allele in questione non si
manifesta fenotipicamente) nel rallentamento dell’evoluzione
della contro resistenza assortita
• Una restrizione delle forme giovanili verso le piante certamente
tossiche e non tossiche
– Lo stretto mescolamento di piante tossiche e non tossiche può
permettere a insetti mobili di nutrirsi su una mistura di piante diluendo
effettivamente la dose di tossina
» Compromettendo così la effettiva recessività della contro
resistenza
Quindi la strategia HDR richiede
– Una dettagliata investigazione empirica delle
modalità di movimento di insetti
• Per determinare, per ogni specifica coltura, un
appropriata configurazione del rifugio
Rappresentazione schematica della strategia HDR
- I quadrati verdi e gialli rappresentano rispettivamente le
piante resistenti e suscettibili. Gli insetti gialli con
genotipo AA sono suscettibili; gli insetti gialli e verdi
con genotipo Aa sono suscettibili; gli insetti verdi
con genotipo aa sono contro-resistenti
a) le piante rifugio o sono mischiate con le piante
suscettibili e lo stadio giovanile dell’insetto è
confinato su una singola pianta. La strategia HDR
funziona bene. I numerosi insetti AA prodotti sulle
piante rifugio nascondono i pochi insetti aa contro
resistenti che emergono dalle piante resistenti da
ciascun altro di questi e assicurano che gli individui
aa si accoppiano solamente con individui AA (linea
rossa). Questo previene la produzione di giovani aa
omozigoti contro-resistenti che potrebbero
mangiare su piante resistenti
b) le piante rifugio sono mescolate con le piante
suscettibili, e gli stadi giovanili degli insetti si
spostano fra le piante. I circoli indicano il raggio di
movimento degli insetti giovani. La strategia HDR
funziona male. Sotto questa condizione più individui
Aa sopravvivono perché la tossicità delle piante
alimentari è diluita. Accoppiamenti tra Aa e aa o tra
aa e aa (linea blu) sono molto più frequenti e risulta
nella produzione di giovani contro resistenti aa.
c) le piante rifugio sono raggruppate e la dispersione
degli insetti adulti è limitata. La strategia HDR
funziona male. Anche con movimenti di stadi
giovanili di insetti tra le piante molti eterozigoti non
mangiano su piante suscettibili e così muoiono.
Nonostante la limitata dispersione degli insetti AA li
ostacola dall’evitare l’accoppiamento tra i rari
individui aa (linea blu) che porta alla produzione di
individui omozigoti contro resistenti
Limitazioni della strategia HDR
(high-dose/refuse strategy)
La strategia HDR è stata applicata per
– Ritardare l’evoluzione della contro resistenza in insetti
anfigonici
• Considerazioni evoluzionistiche suggeriscono che
HDR è inefficace nella gestione la contro
resistenza di altri organismi
• La riproduzione sessuale con accoppiamenti
casuali è crucciale per l’HDR
– Perché assicura che molte coppie degli iniziali
rari alleli contro resistenti siano presenti in
eterozigoti con bassa fitness
– In insetti diploidi partenogenetici come gli afidi
• Un raro mutante omozigote può rapidamente moltiplicare
ospiti resistenti
– Aumentando la frequenza della contro resistenza
Un approccio teorico alla strategia HDR
– Il modello con piante piramidalmente ingegnerizzate, che
producono simultaneamente due tossine non correlate,
comparato con piante coltivate che producono una sola
tossina indica
• Che sono necessari molti più piccoli rifugi per conservare lo stesso
ritardo nell’adattamento dell’organismo nocivo
– Il modello con piante che producono una singola tossina
Indica
• Che la recessività è critica perché l’efficacia aggiunta dalle piante
ingegnerizzate piramidalmente è dovuta largamente alla rarità
nell’insetto dannoso dei genotipi omozigoti doppiamente resistenti
– Tale recessività con alte dosi di entrambe le tossine, può
essere, teoricamente, ottenuta
• Però le difficoltà tecniche ed economiche del modello con piante
piramidalmente ingegnerizzate, con due tossine non correlate
rendono questa strategia non fattibile per un prevedibile futuro
Le piante coltivate ingegnerizzate per la resistenza
ai differenti stress, compresi gli insetti, sono molto
costose e la loro affermazione è legata
– Alla elevata diffusione
– Alla loro effettiva durata
• La principale minaccia alla longevità è il cambiamento
evolutivo negli insetti dannosi bersaglio
• Quindi sono necessari approcci gestionali che
manipolino attivamente i loro processi evolutivi
– Attualmente molto lavoro in questo senso è stato
fatto usando semplici modelli evolutivi con non
realistiche assunzioni circa le basi biologiche e
genetiche degli insetti bersaglio
Ricerca evolutiva applicata
• Il perfezionamento e il miglioramento delle
strategie in atto con l’HDR richiederanno lo
sviluppo di
– Più realistici e sofisticati modelli genetici delle
popolazioni (concetto fondamentale della biologia
evoluzionistica)
– Un numero maggiore di scienziati ingaggiati in questa
attività
– Delucidazione delle cause molecolari e biochimiche della
resistenza
L’uso della resistenza delle
piante nella gestione degli
insetti dannosi
Il significato di differenti categorie di
resistenza delle piante in un sistema
di IPM
Bassi livelli di Antixenosi, Antibiosi possono
essere utili nel controllo di insetti residenti
– Che invadono gli impianti all’inizio dello sviluppo di una
coltivazione e poi incrementano gradualmente durante
la stagione di crescita perché il movimento degli insetti
residenti è molto limitato
• L’ Antixenosi può essere un fatto adeguato per
ridurre la popolazione di questo tipo di insetto in un
sistema di IPM
• La resistenza del pisello per Antixenosi alimentare
verso Lygus hesperus potrebbe essere efficace
contro
– Sia le popolazioni endemiche che migratrici dell’insetto in
un sistema di IPM
Il modello di comparazione della resistenza nel
pomodoro e nella soia verso Heliothis zea ha messo
in evidenza
– Nel pomodoro
• Una Antibiosi verso le giovani larve
• Una Antixenosi ovideposizionale
• Entrambe le manifestazioni riducono la popolazione
dell’insetto senza raggiungere i limiti che non
richiedono interventi insetticidi
– Nella soia
• Che sopporta una più alta defogliazione del
pomodoro
• Un basso o moderato livello di antibiosi e antixenosi
può essere utile per mantenere il fitofago al di sotto
del livello di dannosità
La Tolleranza aumenta l’effetto del controllo
biologico in un sistema di protezione di una
coltura
– Questo perché non espongono gli insetti utili
• Agli effetti morfologici degli allelochimici di
cultivar che manifestano caratteri di Antibiosi
e Antixenosi
Nella prospettiva di un totale effetto della
resistenza della pianta sulla popolazione
dell’insetto
– Le cultivar con Tolleranza richiedono meno Antibiosi e
Antixenosi
• La produzione di cultivar di medica che possiedono
Tolleranza, Antibiosi e Antixenosi verso Empoasca
fabae
– Può provvedere ad un controllo stabile che
conduce l’elevazione della soglia economica di
dannosità
Integrazione con il controllo
chimico
• Cultivar di sorgo con moderata resistenza a
Contarina sorghicola ha elevato la soglia
economica dell’intervento insetticida
• Una sola applicazione insetticida con dose ridotta
alla metà controlla le larve di Heliothis zea su
mais resistente “471-U6X81” allo stesso modo di
7 applicazioni su ibridi suscettibili
• La suscettibilità agli insetticidi di Nilaparvata
lugens e Sogatella furcifera aumenta quando
sono allevate su cultivar di riso moderatamente
resistenti
• Le applicazioni insetticide su cultivar di riso
resistenti a N. lugens e S. furcifera ne aumentano
la mortalità per lunghi periodi dopo il trapianto,
diminuendo l’uso di insetticidi
• Il trattamento con carbofuran della cultivar di riso
(IR26) resistente a Nilaparvata lugens biotipo 1
– Controlla Hydrellia philippia e incrementa il raccolto
del 15%
• Le larve di Pseudoplusia includens che si
nutrono su fogliame di piante di soia resistenti
all’insetto della linea “ED73-371”
– Sono più suscettibili al metilparation delle larve che si
nutrono sulla cultivar suscettibile “Bragg”
• Sulla cultivar di arachide resistenti “NC6”
– I trattamenti insetticidi per contenere le popolazioni di
Diabrotica undecimpunctata howardi possono essere
ridotti dell’80% circa
Integrazione con il controllo
mediante Bt
• L’applicazione combinata di Bt e dell’insetticida
chlordimeform riduce significativamente le
popolazioni larvali di Trichoplusia ni e Artogeia
rapae
• Un effetto complementare esiste tra la resistenza
del cavolo e il Bt solo per il controllo dei danni
dovuti alla attività alimentare delle larve di
Trichoplusia ni, Artogeia rapae e Plutella
xylostella
• L’applicazione di Bt su cultivar di soia resistenti
dà un maggiore controllo di Heliothis zea di
quanto il Bt è applicato contro al fitofago su la
cultivar suscettibile “Bragg”
Esiste una incompatibilità tra la resistenza
delle piante e gli insetticidi microbiologici
– Una grande enfasi è stata posta sulla
incorporazione del gene che codifica la proteina
tossica del Bt nelle piante coltivate
• In questo caso l’insetticida serve come la
base della resistenza
– L’abilità metabolica degli insetti a
detossificare il Bt è stata dimostrata
• In Plodia interpunctella la resistenza al Bt
avviene nell’intervallo da due a tre
generazioni
Risulta chiara la necessità di avere cultivar
con un moderato livello di resistenza alle
tossine microbiologiche
– Per evitare la differenziazione di biotipi di
insetti che superano tale resistenza
L’incremento nell’insetto della
attività degli enzimi digestivi
Mixed function oxidase, glutathione s-transferases e
hydrolases possono essere indotti da un ampia
serie di allelochimici
– Gli insetti con tale induzione enzimatica
possono essere più tolleranti verso l’effetto
tossico degli insetticidi normalmente
detossificati dagli stessi enzimi
• Gli allelochimici siringin e xanthotoxin hanno
dimostrato tali capacità
– Il 2-tridecanone da Lycopersicon hirsutum f. glabratum
aumenta l’abilità di Manduca sexta a detossificare il
carbaryl
– L’allelochimico gossypol incrementa l’attività
dell’enzima N-demethylase in Spodoptera littoralis
Integrazione con il controllo
biologico
Relazioni biotrofiche
rice stem borer
Lacanobia oleracea
Lysiphlebus testaceipes
Chrysomela tremulae
Hydrellia philippia
Orius insidiosus
Aulacorthum solani
Diabrotica undecimpunctata howardi
Pediobius foveolatus
Alcune delle relazioni tra una pianta ospite, piante associate, insetti
fitofagi, parassitoidi iperparassitoidi e predatori di parassitoidi primari
Interazioni positive della resistenza delle
piante e il controllo biologico
– Gli effetti delle cultivar di orzo e di sorgo resistenti Schizaphis
graminum sono completate dalla attività del parassitoide
Lysiphlebus testaceipes
– L’efficacia di L. testaceipes rimane immutata anche dopo che si
sono sviluppati biotipi addizionali di S. graminum.
– I mais ibridi “Dixie 18 e “471-U6x81-1” tolleranti verso Heliothis
zea mantengono alti livelli del predatore Orius insidiosus dal
momento dell’imbozzolamento fino ad una settimana dopo
• Il predatore contribuisce a mantenere bassa la popolazione
larvale del fitofago su ibridi resistenti più che su quelli
suscettibili
– L’effetto del parasitoide Pediobius foveolatus (imenottero) su
Epilachna varivestis è più alto sulle larve che vivono sulla
cultivar di soia resistente “Cutler” in confronto a quelle che si
nutrono sulla cultivar suscettibile “Bonus”
Interazioni negative della resistenza delle piante e il
controllo biologico
– La pubescenza delle foglie del cotone quando aumenta la sua
densità riduce gli effetti del parassitoide Trichogramma pretiosus e
del predatore Chrysopa rufilabris sulle larve di del fitofago Heliothis
zea
• La pubescenza riduce la capacità di scelta del predatore
nonostante che tale situazione ne faccia aumentare la presenza
sulle foglie
– La rimozione dei nettari extra florali dalle piante di cotone riduce
l’efficacia di alcuni parassitoidi e predatori
– L’allelochimico α-tomatine delle cultivar di cotone resistenti a
Heliothis zea è tossico verso il suo endoparassitoide Hyposoter
exigua
– L’antibiosi nella cultivar di soia PI227687 dovuta all’alto livello di
allelochimici determina una elevata mortalità nelle larve di
Pseudoplusia includens e una riduzione di sopravvivenza
nell’ultima generazione del suo parassitoide Microplitis croceipes
– L’emergenza, la fecondità e la produzione di progenie nel
parassitoide Telenomus chloropus sono ridotte quando si sviluppa
su uova di Nezara viridula deposte sulla cultivar resistente di soia
PI171444 in confronto a quando si sviluppa su uova deposte sulla
cultivar sensibile “Davis”.
Chrysopa rufilabris
Microplitis croceipes
Trichogramma pretiosus
Telenomus chloropus
Hyposoter exigua
Nezara viridula
Cetrioli senza peli e con peli
Encarsia formosa che cammina
su un cetriolo senza e con peli
Linee di marcia di E. formosa
cercante l’ospite, Trialeurodes
vaporariorum, su cetriolo con peli
e senza peli dove l’area esplorata
per unità di tempo è 3,5 volte più
ampia. Le barre traverse sulle
linee limitano l’intervallo di 10’’
La valutazione della interazione tetratrofica
tra
–
–
–
–
Il fogliame della cultivar di soia PI227687
Le larve di Pseudoplusia includens
Il pentatomide predatore Podisus maculiventris
Il parassitoide del pentatomide Teleonomus podisi
Ha indicato che
– Il predatore fu influenzato negativamente dall’essersi
nutrito di larve del fitofago che si erano alimentate
sulla cultivar resistente
– Il parassitoide che si era sviluppato su tale
pentatomide ha manifestato una riduzione del suo
potenziale riproduttivo
Effetto potenziale di vari attori in relazioni tritrofiche
La resistenza delle piante è stata integrata con
successo insieme a tutti gli altri tipi di tattiche di
IPM
nelle maggiori coltivazioni di piante produttrici di
alimento o di fibra
Nell’ordine alla loro utilità
• E’ evidente il fatto che loro possono essere inserite
efficacemente in un esistente sistema di IPM basato su
pratiche colturali sviluppate in precedenza e modalità d’uso
di insetticidi
• L’inserimento di una cultivar resistente ad un insetto in un sistema
di gestione è efficiente se esibisce la resistenza verso parecchie
specie di insetti
• La resistenza multipla agli insetti della pianta riduce la quantità di
applicazioni insetticide rispetto a quanto con una cultivar
resistente ad un solo insetto
• La resistenza multipla della cultivar aiuta ad evitare che una
specie di secondaria importanza diventi di prima importanza
• Gli effetti negativi di alti livelli di allelochimici e di resistenza
morfologica sia sul fitofago che sul parassitoide dimostra
– La necessità di sviluppare cultivar con moderati livelli di resistenza
all’insetto, da inserire in sistemi di IPM
Un processo analogo alla coevoluzione
accade anche negli agoecosistemi
• L’agricoltore introduce un clone resistente
– A questo segue l’evoluzione di una contro resistenza
• L’agricoltore risponde introducendo un altro clone
resistente
– Un tipico esempio di questa “coevoluzione artificiale” è stata
sviluppata con una varietà di grano a resistere a Mayetiola
destructor (Diptera Cecidomide) nella regione dell’Indiana (USA)
• Nel 1955 una cultivar portante un gene resistente fu veramente
efficace nella resistenza all’insetto entro 6 anni
– Comunque, una contro resistenza fu sviluppata dal
cecidomide
• Nel 1964 fu sviluppata una cultivar portante un secondo gene
di resistenza
– La contro resistenza da parte dell’insetto apparve entro 8
anni
• Nel 1971 fu sviluppata una cultivar portante un terzo gene di
resistenza
– La contro resistenza da parte dell’insetto apparve entro
circa 10 anni
La tolleranza come una
stabile difesa evolutiva
Una strategia che in alcuni casi può essere
efficace è rompere il ciclo coevolutivo
incorporando, nelle coltivazioni, la tolleranza
invece che la resistenza
La tolleranza riduce o elimina l’effetto dannoso di una
data quantità di danno o infezione sul benessere
della pianta
– Le piante coltivate possono differire nella tolleranza
In natura le piante spesso usano la tolleranza come difesa
contro i nemici naturali
– Variazioni genetiche del grado di tolleranza è stato
rilevato in piante tassonomicamente diverse come
Piperacee, Convolvulacee, Polemoniacee e Brassicacee
In molte piante la tolleranza non riduce completamente il
danno da decadimento della fitness
– Probabilmente perché il costo previene l’evoluzione dei
massimi livelli della tolleranza
– In alcune specie è evidente una super compensazione a
formare una tolleranza nella quale il danno da nemico
aumenta la fitness della pianta
In contrasto con la resistenza la tolleranza non
pare abbia effetti negativi sui nemici naturali
– Conseguentemente l’evoluzione della
tolleranza non genera selezione naturale per il
contro adattamento nei nemici
– Conseguentemente rompe il ciclo coevolutivio
Le popolazioni di insetti non diminuiscono per
esposizione a piante tolleranti
– Il loro pools di geni rimane diluito
• Perché è ridotta o assente la pressione selettiva
posta su di loro da alti livelli di antibiosi
– Quindi l’uso di cultivar tolleranti riduce fortemente lo
sviluppo di biotipi di insetti che annullano la resistenza
• Alcune cultivar di mais tolleranti verso Heliothis zea e
Ostrinia nubilalis, ospitano attualmente una più
elevata popolazione larvale di quelle suscettibili
– Ma questo non decresce la loro efficienza nel
provvedere più alto raccolto rispetto alle cultivar
suscettibili
• Nel contesto della difesa delle piante questo
principio l’incremento vantaggioso del benessere
associato con i genotipi che conferiscono un
incremento alla difesa
– E’ accompagnata da un decremento nel benessere
associata con la utilizzazione di risorse portate via ad
altre funzioni crescenti del benessere
– Ad esempio
– L’aumento di produzione di alcaloidi come difesa
contro gli insetti erbivori rimuove sostanze azotate
dal pool disponibile per la crescita della pianta per
questo ci si aspetta
» Una riduzione della dimensione
» Una riduzione nella produzione di semi
