Stress biotici
Stress indotti da organismi viventi
I patogeni vegetali sono gli agenti infettanti
che causano la malattia
1)
L’immobilità costringe le
piante a rispondere con
sistemi
costitutivi
o
inducibili.
2)
Non hanno
immunitario
un sistema
analogo
a
quello animale.
3)
I patogeni causano la
diminuzione del 10-30%
delle rese annue
4)
Circa il 25% dei geni
vegetali
sono
coinvolti
durante l’infezione
Molti tipi di organismi causano
malattie nelle piante
Nematodes are
large,
multicellular
animals
Oomycete
Bacteria
Viruses are
non-cellular,
and merely
packaged
nucleic acids
Bacteria are
prokaryotes
Fungi and
oomyctes are
eukaryotes
Fungus
Fungus
Large, E.C. 1940. Advance of the Fungi. Jonathan Cape, London.
What makes an interaction into
a disease? (Disease triangle)
Il patogeno deve
superare le difese
della pianta
The disease
triangle
(it takes three)
Solamente la
minoranza delle
interazioni creano
malattia: perchè?
Environment
La pianta deve
essere
suscettibile al
dato patogeno
L’ambiente deve
essere favorevole per
l’infezione
What makes a successful
pathogen?
•
•
Pathogenesis genes and effectors
allow the pathogen to enter into the
plant, evade the plant’s defenses,
and survive and reproduce
Numbers – more pathogens increases
the chance of success
What makes a vulnerable host?
•
•
Poor health – wounded or weakened
plants can be more vulnerable
A lack of disease resistance genes
Phytophthora colocasiae
Fraser fir (Abies fraseri) killed by
phytophthora root disease
Fred Brooks, University of Hawaii at Manoa; Linda Haugen, USDA Forest Service, Bugwood.org
The environment affects whether
the plant or pathogen wins
Temperature
Rain
Wind
Planting density
Pollution
Other organisms
Moisture content
Nutrient availability
Photo by Jack Dykinga
Esempio dell’ influenza dell’Umidità
sull’infezione: “La ruggine della patata”
Severity of late blight risk
4
3,5
Temp (C)
3
2.1 - 7.1
2,5
7.2 - 11.6
2
11.7 - 15
1,5
15.1 - 26.6
1
> 26.7
0,5
By analyzing patterns of
humidity and moisture,
it is possible to
anticipate the severity
of late blight outbreaks,
and decide when to use
chemical sprays.
0
9 10 11
12 13 14
15 16 17
18 19 20
21 22 23
24 25
Data from University of California Integrated Pest Management
Humans influence diseases
Migrations
of people
and plants
Humans add another
dimension (making a
disease pyramid….)
Monoculture
Introduced pathogens
and vectors
Growing
practices
Photos courtesy Scott Bauer and Bob Nichols, USDA, and Geovantage, Inc.
Il primo step nell’infezione è l’adesione e l’ingresso nei tessuti
vegetali:
- stomi
- ferita preesistente
- azione meccanica
- azione enzimatica
Many bacteria
produce biofilms
Xylella fastidiosa in
a xylem vessel
Il secondo step porta allo sfruttamento della pianta da parte del
patogeno:
- Necrotrofico morte della pianta
- Biotrofico rimane in vita
- Emibiotrofico inizialmente la pianta vive per poi morire in
un secondo tempo.
I Necrotofi
uccidono la
cellula e ne
sfruttano I
nutrienti
Gli Emibiotrofi
cambiamo
lifestyle durante
il loro ciclo vitale
I Biotrofi vivono
nella cellula
senza ucciderla
Funghi: 2% delle specie totali fungine sono virulente, soprattutto
Ascomiceti e Basidiomiceti
Ascomycetes
Fusarium spp.
Botyritis spp.
Verticillum spp.
Magnaporthe grisea (T.T. Hebert) M.E. Barr; causes blast of rice
and gray leaf spot in turfgrasses
Basidiomycetes
Rhizoctonia spp. (cancri in patate e pomodoro)
Phakospora pachyrhizi Sydow; causes Soybean rust
Puccinia spp.; causal agents of severe rusts of virtually all cereal
grains and cultivated grasses
In agricoltura la difesa dai funghi risulta di primaria importanza!!!
- necrotrofici: letali, producono enzimi idrolitici o tossine specifiche ed
hanno ampi spettri d’azione.
Botrytis cinerea
Venturia Inaequalis
- biotrofici: penetrano parzialmente nei
tessuti con una struttura specializzata
(austorio),
Oidio o Mal Bianco (Uncinula spp)
Oomiceti (fungal-like)
Phytium e Phytophtora
An outbreak potato late blight, caused
by Phytophthora infestans, caused the
Great Famine of the 1840s
8
Population of Ireland (millions)
Emibiotrofici:
Phytophtora
infestans, iniziale biotrofia poi
quando la massa di fungo
aumenta notevolmente diventa
letale per la pianta
6
4
2
The late blight epidemics of the
1840s hit Ireland particularly
hard, and caused mass
starvation and emigration
1800
1840
1880
1920
Batteri patogeni per le piante: infestano di solito l’apoplasto causando
marcescenza, cancri o essudati.
Vita parassitica nella quale il batterio vive negli spazi intercellulari nei
vari tessuti e nello xilema e spesso secerne tossine, polisaccaridi ed
enzimi idrolitici (pectici, Erwinia).
- Pseudomonas
- Xanthomonas
- Erwinia
- Burkholderia
- Protobacteria
Virus: 40 famiglie di virus a DNA e RNA, soprattutto a RNA singolo
filamento+.
Causano clorosi, necrosi, zone di infezione a mosaico e rallentamento
della crescita.
Sono di solito biotrofici e il loro ciclo vitale ha tre step fondamentali:
- replicarsi nella cellula infettata
- muoversi nella cellule vicine e nei
vasi
- superare le difese della pianta per
colonizzarla completamente.
L’inoculo avviene di solito per mezzo
di vettori o ferite mentre il movimento
avviene via plasmodesmi senza passare
la membrana plasmatica.
Sistema di difesa delle piante
Solo una piccola percentuale delle infezioni risulta in una malattia nelle
piante:
1- La pianta non è un ospite per quel patogeno (questo è vero per tutte
le varietà di una data specie o genere). Presenta delle barriere fisiche o
dei composti tossici che limitano l’infezione (resistenza non ospite, NHR
Non Host Resistance). Si basa su una incompatibilità genetica
(preesistente) e costitutiva. Tale fenomeno è anche alla base del diverso
e spesso limitato spettro d’azione dei vari patogeni.
Pseudomonas syringae pv. glycinea
Pseudomonas syringae pv. tabaci
2- L’attacco del patogeno prosegue e può innescare delle risposte
difensive nella pianta per cui l’infezione rimane localizzata.
In questo caso la resistenza non è comune a tutta la specie ma è
limitata alla varietà o al cultivar (host resistance).
In assenza di queste risposte difensive la malattia prosegue
indisturbata.
Host resistance
Inducibile
Risposta rapida indotta dal patogeno nel sito di attacco: richiede
sistema preciso di riconoscimento del patogeno (non deve essere
attivato in presenza di altri stimoli).
Coinvolge solo un certo numero di cellule e dipende da un
meccanismo di resistenza indotto dal patogeno.
Se l’infezione prosegue si ha una risposta compatibile cioè la
malattia.
Se l’infezione non prosegue si ha risposta incompatibile, cioè la
resistenza.
The zigzag model for the quantitative output of the plant immune system
Questo ‘sistema immunitario’ vegetale si
compone di due momenti principali:
1- La pianta riconosce il patogeno per
via di recettori transmembrana (pattern
recognition
receptors,
PRRs)
che
riconoscono dei ‘pattern’ di molecole
specifici del patogeno (microbial- or
pathogen-associated molecular patterns,
PAMPs, come la flagellina dei batteri,
lipopolisaccaridi, componenti parete
fungina o batterica).
Questa immunità, molto rapida, viene
chiamata
PTI
per
PAMP-triggered
immunity, è preinvasiva ed è il primo
livello di difesa (difesa basale).
PRR
Le risposte più rapide indotte dai PAMP sono generalmente:
-alterazione nei flussi ionici attraverso la membrana
-aumento di calcio intracellulare,
-generazione di radicali di ossigeno e di ossido nitrico
-produzione di etilene.
-deposizione di callosio sulla parete
-liberazione di composti antimicrobici.
In modo un po’ più lento si ha
anche aumento della trascrizione
di numerosi geni.
Il tutto garantisce una modesta
protezione.
Autofluorescence of callose after aniline blue
staining in Arabidopsis treated with flagellin
Alcuni patogeni riescono a superare questa difesa basale perché
producono e spesso iniettano nella cellula vegetale degli ‘effettori’
che limitano e rallentano la risposta basale PTI. Tali effettori
contribuiscono alla virulenza del patogeno e determinano quella che
viene chiamata suscettibilità mediata dagli effettori (effectortriggered susceptibility, ETS).
Batteri patogeni come P. syringae
possono produrre anche 20-30 diversi
effettori durante l’infezione. Tali
effettori possono essere enzimi,
inibitori trascrizionali, inibitori del
callosio e sono tipicamente codificati
da geni chiamati avr.
I funghi producono invece dei piccoli
peptidi a funzione ancora poco chiara.
2- il secondo livello di difesa agisce
all’interno della cellula viene chiamato
ETI (effector triggered immunity) e si
basa sulla capacità di alcune varietà
all’interno di una data specie vegetale
di produrre dei recettori specifici per
gli effettori prodotti dal patogeno.
Questi recettori sono delle proteine
polimorfiche con domini di legame ai
nucleotidi e domini ricchi in leucine
(NB-LRR) codificate tipicamente dai
geni R.
A ciascun tipo di effettore
avr corrisponderà un particolare recettore R anche se
non necessariamente il riconoscimento tra le due
proteine è diretto.
La riposta inducibile ETI è
veloce e più potente della
PTI e risulta spesso nella
resistenza al patogeno.
Il modello R-avr era già stato proposto da Flor col nome di modello geneper-gene.
1956 Harold Flor spiega l’incompatibilità tra pianta e patogeno basandosi
sull’osservazione che alcune varietà di una particolare specie
esprimevano una resistenza ad un patogeno, mentre altre varietà no.
Modello gene-per-gene.
La resistenza della pianta si manifesterà SOLO quando la pianta
possiede un gene di Resistenza R dominante e allo stesso tempo il
patogeno esprime un gene complementare dominante di Avirulenza Avr.
Se quindi nella cellula vegetale ci
sono le giuste proteine R che
riconoscono
gli
effettori
corrispondenti AVR prodotti da un
dato
patogeno
si
attiverà
il
secondo livello di difesa che si
basa
essenzialmente
su
una
potente risposta rapida chiamata
risposta
ipersensibile
hypersensitive
(HR,
response),
sulla
sintesi di proteine di resistenza PR
e
di
fitoalessine
incompatibile.
risposta
HR: morte cellulare programmata PCD, crea
una zona di necrosi nel sito di infezione
limitando il diffondersi del patogeno
Ingresso di Ca2+ e protoni e fuoriuscita
di K+ e Cl−
Produzione extracellulare, rapida
massiccia di ROS (ione superossido
perossido d’idrogeno),
e
e
NADPH ossidasi di membrana
NADPH + 2O2 NADP+ + H+ + 2O2-
SOD
2O2-+ 2H+ O2 + H2O2
perossidasi, lipossigenasi.
Nel caso di una risposta incompatibile e di HR, 2-6 h dopo l’inoculo, i
livelli di H2O2 possono raggiungere le micromoli per litro.
I ROS agiscono anche direttamente sul patogeno, catalizzano il
rafforzamento della parte via deposizione di callosio, cross-link e
lignificazione e agiscono anche come segnali (elicitori) per le cellule
vicine per attivare ulteriori difese come sintesi di proteine di difesa PR e
di fitoalessine.
Proteine PR, pathogen related: gruppo eterogeneo di proteine attivate
nel caso di ETI e di HR implicate nella difesa contro il patogeno e
nell’amplificazione della risposta difensiva della pianta.
Attività note:
Inibitori di proteasi
Defensine (piccole e ricche in cys) antimicrobiche e antifungine
Tioneine (ricche in cys) permeabilizzazione membrana del patogeno
Enzimi degradativi delle pareti fungine e batteriche
Le fitoalessine sono metaboliti secondari a basso peso molecolare
appartenenti a diversi classi come terpenoidi, glicosteroidi e alcaloidi
con spiccate attività antimicrobiche, le più note sono la camalexina e il
resveratrolo, per il resto sono ancora poco conosciute.
Ruolo degli ormoni
I ROS sembrano avere un ruolo ulteriore nel sistema difensivo: stimolare
la produzione di vari ormoni vegetali come l’acido jasmonico JA, l’acido
salicilico SA e l’etilene.
SA: si accumula ad alti
livelli
nel
sito
di
infezione quando c’è una
risposta
incompatibile
con patogeni biotrofici,
deriva dalla via dei
fenipropanoidi.
JA: si accumula dopo
l’attacco
di
patogeni
necrotrofici e di erbivori,
deriva da acidi grassi.
Entrambi
sono
responsabili
del
potenziamento della risposta difensiva
stimolando sia la risposta ipersensibile sia la
sintesi di proteine PR. Se applicati
sperimentalmente sono in grado di attivare
delle difese anche in assenza di patogeni.
SAR: resistenza
sistemica acquisita.
Il primo attacco e la
prima
risposta
patibile
tra
incom-
pianta
e
patogeno (giusta com-
binazione R-avr e HR)
attivano una resistenza
estesa a tutta la pianta,
prolungata nel tempo ed
efficace
altri
tipi
anche
di
contro
patogeni
(cross-protection).
La pianta acquisisce una specie di immunità aspecifica contro diversi
patogeni che può durare a lungo (settimane–mesi), ma non viene
trasmessa alla progenie.
Durante tale periodo, un nuovo attacco di patogeni, avirulenti (giusta
combinazione R-avr) o virulenti (R-avr diversi) che siano, porta alla
rapida e potente attivazione delle difese, con intensità maggiore
rispetto al primo episodio.
Tale immunità è inoltre sistemica, diffusa a tutta la pianta, anche
lontano dal punto della prima infezione esiste quindi un segnale che
in qualche modo comunica a tutta la pianta tale immunità
inizialmente si è cercato un segnale chimico diffusibile tramite il floema
ma la diffusione è troppo lenta rispetto alla tempistica della SAR,
oppure elettrico ma l’ipotesi corrente è che si tratti di un (o più)
composto volatile.
La versione metilata di SA (e anche di JA) è volatile e sembra un
probabile candidato responsabile dell’attivazione della SAR. La sua
diffusione è molto rapida e garantisce che velocemente tutta la pianta
(o anche le piante vicine) sia allertata.
