Fondamenti Patologia vegetale

Fondamenti di Patologia vegetale
Quirico Migheli
Tel. 079 229295; Fax 079 229316; e-mail: [email protected]
Un fabbisogno alimentare in
continuo aumento
• Negli ultimi 40 anni la popolazione mondiale
è cresciuta del 90%
• La produzione di cibo è aumentata del 25%
• Nel 2020 vi saranno 1.5 miliardi di persone in
più da sfamare
• Sarà necessario aumentare del 39% l’attuale
produzione agricola
The Economist, 2000
Estimated crop losses due to plant diseases, 1988–90
Region
US$ in billion
% of potential
production
Asia
43.8
14.2
NIS
8.2
15.2
North America
7.1
9.7
Latin America
7.1
13.5
Europe
5.8
9.8
Africa
4.1
15.7
Pinstrup-Andersen, 2001
PATOLOGIA VEGETALE = STUDIO DI:
• ORGANISMI E FATTORI AMBIENTALI FITOPATOGENI
• MECCANISMI DELLA FITOPATOGENESI
• INTERAZIONI TRA PATOGENO E PIANTA OSPITE
• EPIDEMIOLOGIA
• METODI DI LOTTA
COMPLESSO DI AGENTI FITOPATOGENI BIOTICI (FUNGHI,
BATTERI, VIRUS, VIROIDI, FITOPLASMI, PIANTE PARASSITE) E
ABIOTICI (AGENTI METEORICI, SQUILIBRI NUTRIZIONALI,
INQUINANTI FITOTOSSICI)
COMPLESSO DI DISCIPLINE INTERESSATE: MICROBIOLOGIA,
BOTANICA, FISIOLOGIA, GENETICA, BIOCHIMICA, BIOLOGIA
MOLECOLARE, PEDOLOGIA, INGEGNERIA, ...
CONCETTO DI “PIANTA SANA”: pianta che può svolgere le sue
funzioni fisiologiche al meglio del suo potenziale genetico (divisione
cellulare, differenziamento, sviluppo, assorbimento dell’acqua e delle
sostanze nutrienti, trasporto, fotosintesi, metabolismo, riproduzione,
svernamento, ...
CONCETTI DI “PATOGENO” E DI “MALATTIA” (FITOPATIA):
ogni fattore che disturbi la pianta nelle sue funzioni fisiologiche è causa
di malattia.
MALATTIA: “funzionamento anomalo di cellule, tessuti e organi della
pianta in seguito alla continua irritazione da parte di un agente patogeno
(biotico o abiotico) che porti alla comparsa di sintomi”
I PRIMI SEGNALI SONO SPESSO INVISIBILI, MA SE L’AGENTE
PATOGENO PERSISTE APPAIONO I SINTOMI (VISIBILI)
CLASSIFICAZIONE DELLE FITOPATIE:
• infettive o non infettive
• localizzate o sistemiche
• in base ai sintomi
• in base alla posizione sistematica dei patogeni
• in base all’organo colpito
SINTOMATOLOGIA:
MODIFICAZIONI CROMATICHE: clorosi, giallumi, mosaici,
striature, variegature, clorosi internervali, rotture di colore, maculature
anulari, arrossamenti, argentature, imbrunimenti, annerimenti.
NECROSI E ALTERAZIONI DEGENERATIVE: macchie, antracnosi,
marciumi molli e secchi, mummificazione, carie, scabbia, avvizzimento,
cancro, flusso gommoso o resinoso, suberosi, rugginosità.
DISTACCO DI PARTI: spaccature, filloptosi, antoptosi, carpoptosi,
vaiolatura, impallinatura.
MODIFICAZIONI DI FORMA O DIMENSIONE: accartocciamento,
arrotolamento, bollosità, lenticellosi, erinosi, tumori, galle, nanismo e
gigantismo, blastomania, scopazzi, fasciazioni, rizomania, virescenza,
ipertrofia, iperplasia cellulare.
RUGGINI FOGLIARI
MAL BIANCHI
MODALITA’ DELLA PATOGENESI:
• indebolimento della pianta ospite per continuo assorbimento di
nutrienti dai tessuti colpiti
• disturbo del metabolismo dell’ospite (mediante tossine, enzimi,
sostanze ormonali)
• blocco del trasporto (acqua, sali minerali, fotosintetati)
• distruzione del contenuto delle cellule delle cellule della pianta
ospite per contatto diretto.
DIAGNOSI DELLE FITOPATIE
1. ANAMNESI
• identificazione di specie e cultivar, eventuale resistenza genetica,
origine del seme, età della pianta o della coltura
• localizzazione della malattia, sua incidenza e distribuzione in
campo (es. diffusione a macchia d’olio, lungo i canali d’irrigazione,
a caso, ...)
• ambiente colturale, eventi climatici, caratteristiche del suolo
• quadro delle operazioni colturali (rotazione, semina o trapianto,
lavorazioni, formule e dosi di concimazione, irrigazione, potatura,
trattamenti antiparassitari, ...)
2. RACCOLTA DI CAMPIONI
• campione significativo, rappresentativo della coltura
• piante o parti di pianta a diverso stadio di malattia
campioni sani di riferimento
3. ANALISI DEI CAMPIONI
• se si sospetta fattore abiotico (ad es. fitotossicità da trattamenti
antiparassitari, metalli pesanti, composti fluorurati): analisi
chimica del contenuto in sostanze fitotossiche
• se si sospetta fattore biotico: analisi a occhio nudo per ruggini, mal
bianchi, malattie molto note), con lente di ingrandimento, con
microscopio (ottico o elettronico), diagnosi immunologica o
biomolecolare o biochimica, isolamento su substrati selettivi,
incubazione in camera umida, trasmissione per innesto su piante
indicatrici.
4. CONTRIBUISCONO A COMPLICARE IL QUADRO CLINICO:
• presenza di più agenti patogeni, di saprofiti e parassiti secondari
• convergenza di sintomi
• divergenza di sintomi
5. POSTULATI DI KOCH
• il patogeno dev’essere sempre associato alla malattia
• deve poter essere isolato e coltivato in purezza (patogeni non
obbligati) o su una pianta ospite suscettibile
• da coltura pura deve essere inoculato su piante sane della stessa
specie o cultivar da cui è stato isolato e riprodurre gli stessi sintomi
• reisolato una seconda volta, deve avere, in coltura pura, le stesse
caratteristiche del primo isolamento.
PARASSITISMO E PATOGENICITA’
Fitopatogeni: colpiscono solo le piante (non uomini o animali, se si
escludono le micotossicosi)
Malattie infettive: derivano dall’infezione da parte di un agente
patogeno o parassita
Parassita: organismo che vive sulla o nella pianta ospite, ricavandone
nutrimento, provocando le alterazioni descritte.
Patogenicità: capacità di un parassita di interferire con un o più funzioni
essenziali della pianta. Non è necessariamente sinonimo di parassitismo,
che prevede solo funzioni trofiche e può essere anche benefico per la
pianta (es. simbiosi con batteri azoto-fissatori e simbiosi micorriziche).
Di tutte le specie viventi solo una minima parte ha sviluppato capacità
parassitarie: biotrofi, parassiti obbligati, parassiti facoltativi, saprofiti
facoltativi, necrotrofi.
In generale: parassiti obbligati sono più specifici ed evoluti; parassiti
facoltativi hanno spettro d’ospiti più ampio.
SVILUPPO DELLA PATOGENESI
L’incidenza delle malattie dipende dall’interazione tra tre fattori
principali (pianta ospite, patogeno e ambiente) ciascuno dei quali
comprende diversi sotto-fattori:
PATOGENO
AMBIENTE
PIANTA OSPITE
PATOGENO: stadio di sviluppo, potenziale di inoculo, virulenza, ...
OSPITE: età, suscettibilità, presenza di organi sensibili, ...
AMBIENTE: condizioni predisponenti la malattia (umidità,
temperatura, luce, ...)
STADI DI SVILUPPO DELLE MALATTIE
INOCULO: qualsiasi parte del patogeno in grado di produrre una
infezione spore, conidi, sclerozi, frammenti di micelio, cellule
batteriche, particelle virali, cellule fitoplasmi, uova o larve di nematodi,
semi di piante parassite, ...
PROPAGULO: unità di inoculo
INOCULO PRIMARIO INFEZIONE PRIMARIA
inoculo secondario, terziario, ... infezione secondaria, terziaria, ...
FONTI DI INOCULO: dal campo stesso, da appezzamenti più o meno
vicini, attraverso piante malate (semi, organi di moltiplicazione), utensili
infetti, uomo o animali, ...
TRASPORTO DELL’INOCULO: in genere passivo (vento, acqua,
vettori mobili), tranne che per nematodi e Chromista con zoospore
flagellate mobili in velo d’acqua.
GERMINAZIONE DI CONIDI E SEMI (per piante parassite): spesso
indotta o favorita da sostanze nutritive, essudati della pianta ospite.
ADESIONE DEL PATOGENO ALL’OSPITE: virus e fitoplasmi sono
veicolati direttamente dentro le cellule dell’ospite da un vettore; funghi e
batteri arrivano a contatto con la superficie dell’ospite; possono
produrre sostanze mucillaginose che favoriscono l’adesione.
RICONOSCIMENTO PIANTA-PATOGENO: aspetto ancora molto
sconosciuto; ruolo di ormoni, enzimi, prodotti di degradazione delle
rispettive pareti cellulari, lectine: rappresenta una fase critica
importantissima nel determinare l’esito dell’infezione.
PENETRAZIONE: a seconda del tipo di patogeno può essere diretta,
attraverso aperture naturali (stomi, lenticelle, idatodi), attraverso ferite
o microlesioni, mediata da vettori (afidi, cicaline, nematodi).
INFEZIONE: il patogeno stabilisce il contatto con l’ospite e inizia a
procurarsi nutrimento a spese delle sue cellule; durante questa fase si
hanno: moltiplicazione, accrescimento del patogeno e invasione
dell’ospite. L’infezione può essere sintomatica o asintomatica.
Infezione
attraverso
gli idatodi
PERIODO DI INCUBAZIONE: intervallo tra l’avvenuta infezione e la
comparsa dei primi sintomi; la lunghezza di questa fase dipende da:
virulenza e stadio del patogeno, sensibilità e stadio dell’ospite, condizioni
ambientali.
INVASIONE: accrescimento superficiale (es. mal bianchi),
sottocuticolare, intracuticolare, vascolare, intra- o extra-cellulare,
localizzato sistemico.
MOLTIPLICAZIONE E RIPRODUZIONE DEL PATOGENO:
moltiplicazione per mezzo di conidi (asessuata o agamica) o per via
sessuata. Micelio dei funghi patogeni prodotto solo all’interno della
pianta o anche o solo all’esterno; virus e viroidi solo interni; batteri
interni/esterni. Il tasso di moltiplicazione è variabile.
DISSEMINAZIONE DEL PATOGENO: vento, pioggia, insetti,
irrigazione, semi e altri organi di moltiplicazione infetti, operatori,
attrezzi (ad esempio durante la potatura).
SVERNAMENTO O ESTIVAZIONE: come? avviene attraverso organi
di resistenza: clamidospore, corpi fruttiferi, sclerozi, micelio quiescente.
dove? sulla superficie del terreno o sotto terra, nelle gemme, in cancretti
rameali, mummie, cancri sul fusto, radici, residui colturali, piante
perennanti, ospiti alternativi, nei semi (infezione) o sui semi
(contaminazione), nel materiale propagativo, nei vettori.
SISTEMI DI AGGRESSIONE
• pianta = fortezza
• patogeno = aggressore
• i patogeni si sono evoluti in modo da acquisire la capacità di vivere
a spese delle sostanze prodotte dalla pianta ospite.
• tali sostanze non sono accessibili il patogeno deve superare
barriere (pre-esistenti o frapposte alla pianta per difendersi, in
seguito all’aggressione) dell’apoplasto per raggiungere il simplasto.
la penetrazione attraverso l’apoplasto avviene per lo più attraverso
sostanze chimiche (enzimi), in parte per sforzo meccanico (nematodi,
funghi e piante parassite come vischio e cuscuta), per superare la
barriera dell’epidermide e della cuticola.
La pianta è una
fortezza sotto
assedio ...
FASI: CONTATTO, ADESIONE (SOSTANZE MUCILLAGINOSE,
FORZE INTERMOLECOLARI TRA SUPERFICIE DELLA PIANTA
E
SUPERFICIE
DEL
PATOGENO),
TIGMOTATTISMO,
FORMAZIONE DELL’APPRESSORIO, EMISSIONE DI UNO
STILETTO DI PENETRAZIONE (PENETRAZIONE MECCANICA
COADIUVATA DA ENZIMI LITICI)
STRATI DA OLTREPASSARE: cere epicuticolari, cere, cutina,
cellulosa, pectina, cellulosa, cellulosa, membrana plasmatica, citoplasma.
SOSTANZE CHIMICHE PRODOTTE DAL PATOGENO
FAVORIRE L’AGGRESSIONE:
• in alcuni casi coadiuvano la penetrazione
• in altri casi hanno funzione di attacco
• in altri sono veri e propri determinanti della patogenesi
PER
Possono essere: enzimi, tossine, fitoregolatori, polisaccaridi, ... hanno
importanza variabile a seconda del tipo di malattia: es. marciumi molli
coinvolgono enzimi pectolitici, galle e tumori coinvolgono fitoregolatori
come auxine e citochinine; mal del piombo dei fruttiferi coinvolge
tossine, ...
ENZIMI
entrano in gioco nella degradazione dell’apoplasto: cuticola, parete
cellulare e lamella mediana sono le principali barriere all’avanzata dei
patogeni verso il simplasto
CERE EPICUTICOLARI: in forma granulare o a bastoncello, in genere
penetrate grazie a sforzo meccanico.
CUTINA: maggior componente della cuticola, infiltrata di cere verso
l’esterno, di pectina e cellulosa verso l’interno; poliestere di acidi grassi a
lunga catena (C16-C18) legati tra loro da legami esterici.
Cutinasi = enzimi che degradano la cutina: in alcuni casi sono
fondamentali per la penetrazione legate alla patogenicità.
SOSTANZE PECTICHE: maggiori componenti della lamella mediana,
costituiscono il “cemento intercellulare” che tiene insieme le cellule a
formare i tessuti; formanpo anche parte della parete primaria; sono
catene di galatturonano+catene laterali di ramnosio.
Enzimi pectolitici (pectinasi) di diverso tipo a seconda del tipo di
reazione che catalizzano; molto importanti nei marciumi molli (es. da
Erwinia spp.) macerazione dei tessuti e liquefazione; possono esser
prodotte anche da funghi.
CELLULOSA: catene di glucosio tenute insieme da ponti a idrogeno;
costituiscono lo “scheletro” delle pareti; organizzazione in microfibrille
evia via in fibrille di calibro maggiore.
Cellulasi: degradano la cellulosa; di vario tipo a seconda del sito di
attacco (eso-, endo-, cellobioidrolasi, cellobiasi, ...); sono prodotte da
molti funghi, batteri, Cuscuta spp. e hanno anche funzione trofica
(cellulosa cellobiosio glucosio).
EMICELLULOSE: complesse combinazioni di polimeri polisaccaridici
con composizione variabile a seconda della specie o dell’età della pianta;
presenti nella parete primaria e, in parte, nella lamella mediana e nella
parete secondaria; xiloglucani, glucomannani, galattomannani,
arabinogalattani, ...
Emicellulasi: prodotte da funghi;ancora incerto il ruolo nella patogenesi.
LIGNINA: presente nella lamella mediana e nei vasi xilematici; polimero
amorfo formato dalla condensazione ossidativa di unità fenilpropanoidi;
molto resistente alla degradazione enzimatica; pochi basidiomiceti sono
in grado di attaccarla (ca. 500 specie): agenti di “carie bianca” che
producono ligninasi.
Altri enzimi: proteasi, lipasi, amilasi, fosfolipasi, .. preposti alla
metabolizzazione di sostanze presenti all’interno della cellula (nel
simplasto).
TOSSINE
• Sono prodotte da molti funghi e batteri fitopatogeni
• agiscono a concentrazione molto bassa
• possono essere di tipo non specifico o specifico
Tossine di tipo non-specifico: producono danni (clorosi, ingiallimento e
necrosi) non solo nella specie ospite ma anche in specie non ospiti del
patogeno che le produce; non sono in genere essenziali nella patogenesi.
es. tabtossina, prodotta da Pseudomonas syringae pv tabaci, o
faseolotossina, prodotta da P. syringae pv. phaseolicola: i filtrati colturali
del batterio inducono aloni gialli e clorosi se infiltrati nelle foglie non solo
su tabacco e fagiolo (rispettivamente), ma anche su altre piante,
inducendo alterazioni della permeabilità di membrana.
es. tentossina (Alternaria tenuis) causa clorosi in piantine di diverse
specie; fusicoccina (Fusicoccum amygdali): causa morte delle gemme di
pesco e mandorlo, piante ospiti del patogeno, ma se viene iniettata nei
vasi legnosi di specie non ospiti provoca gli stessi sintomi.
Tossine di tipo specifico: sono tossiche solo nei confronti della pianta
ospite del microrganismo che le produce.
es. victorina (HV-toxin) prodotta dal fungo Cochliobolus victoriae
comparso nel 1945 su avene della varietà “Victoria” (e derivate)
resistenti alla ruggine causata da Puccinia coronata; C. victoriae attacca
la base del fusto ma produce tossine sbiancamento delle foglie e
morte di tutta la pianta; avene di varietà diversa o di varietà non
derivate dalla cv “Victoria”, come altre specie erbacee e arboree sono
immuni al patogeno.
es. T-toxin: prodotta dalla razza “T” del fungo Cochliobolus
heterostrophus, comparso nel 1970 in seguito all’introduzione di varietà
maschio-sterili di mais che recavano un fattore di maschio sterilità
citoplasmatica (“Texas” male sterility) associato all’estrema sensibilità a
questa razza del patogeno epifitia gravissima con conseguenze disastrose
nell’economia del “corn belt” statunitense.
Cochliobolus heterostrophus
su Zea mais
FITOREGOLATORI
• fitoregolatori fito-ormoni: auxine, gibberelline, citochinine, etilene
e acido abscissico
• agiscono a concentrazioni molto basse
• soggetti a fluttuazioni durante lo sviluppo
• molti patogeni influenzano la normale fluttuazione o producendo ex
novo fito-ormoni, o inibendone/stimolandone la sintesi da parte
della pianta infetta
• risposta variabile a seconda degli ormoni che entrano in gioco
• tipici sintomi da alterazione del bilancio ormonale: nanismo,
gigantismo, scopazzi, rizomania, fasciazione, epinastia fogliare,
malformazioni del fusto, inibizione dello sviluppo delle gemme, ...
Crinipellis perniciosa su cacao
Auxine: IAA (acido indolilacetico) prodotto dai meristemi; promuove
l’allungamento cellulare, il differenziamento e la trascrizione;
aumento della concentrazione di IAA in seguito agli attacchi di:
Plasmodiophora brassicae (rogna del cavolo), Ustilago zeae-maydis
(carbone del mais), alcuni agenti di ruggine, alcuni agenti di fusariosi
vascolare, Pseudomonas solanacearum (fino a >100 volte), nei tumori
batterici da Agrobacterium tumefaciens, rogna dell’ulivo e dell’oleandro
da Pseudomonas savastanoi, in alcune virosi, ...
Gibberelline: scoperte in seguito allo studio di piante di riso infette da
Gibberella fujikuroi (agente della malattia detta “riso gentiluomo” per
l’allungamento eccessivo del fusto e in conseguente ripiegamento della
spiga); influenzano l’allungamento cellulare; l’accrescimento di varietà
nane può essere indotto da somministrazione di acido gibberellico;
inducono fioritura precoce e allungamento delle radici; hanno un effetto
positivo sulla sintesi delle auxine; in molti casi di infezione da virus e
fitoplasmi le gibberelline mascherano i sintomi, ma non è chiaro
attraverso quali meccanismi questi patogeni possano inibire la biosintesi
delle gibberelline nelle piante infette.
Citochinine: promuovono la crescita cellulare, ritardano i fenomeni di
senescenza; promuovono l’apporto di nutrienti; entrano in gioco nelle
infezioni da patogeni obbligati (“isole verdi”, visibili attorno al punto di
infezione anche su foglie senescenti) ma anche negli scopazzi, per
attivazione delle gemme laterali.
Etilene: induce clorosi, abscissione, epinastia fogliare, maturazione dei
frutti, senescenza
aumenta molto in seguito all’attacco di patogeni vascolari (batteri e
funghi).
Acido abscissico: inibitore della crescita; induce abscissione fogliare,
dormienza, inibizione della germinazione, nanismo;
entra in gioco nelle virosi che causano fenomeni di nanismo; molti
patogeni lo possono produrre direttamente.
FISIOPATOLOGIA VEGETALE
Studia l’effetto dei patogeni sulle funzioni fisiologiche della pianta
(riflessi sulla qualità del prodotto).
EFFETTI SULLA FOTOSINTESI: diretti, ad es. per agenti di
maculature fogliari, attacchi sulle foglie, mosaici, clorosi fogliari,
epinastia fogliare, agenti di mal bianco, ...; in altri casi sussiste un effetto
indiretto: parassiti vascolari provocano la chiusura degli stomi per
reazione al mancato assorbimento d’acqua mancato scambio
gassoso e blocco della fotosintesi..
EFFETTI SULLA TRASLOCAZIONE DELL’ACQUA E DELLE
SOSTANZE NUTRITIVE (flusso xilematico): marciumi radicali,
parassiti vascolari, attacchi al fusto e alla base della pianta (colletto); ad
es. i parassiti vascolari riducono il flusso nello xilema fino al 2-4% del
normale per effetto di tille, gomme e mucillagini; effetti indiretti, ad es.
nel caso di attacchi di agenti di ruggini fogliari che provocano la
distruzione della cuticola evapotraspirazione incontrollata, morte
per disidratazione.
EFFETTI SULLA TRASLOCAZIONE ATTRAVERSO IL FLOEMA:
molti parassiti obbligati (agenti di ruggini e mal bianchi, virus e
fitoplasmi) inibiscono il flusso floematico
accumulo di
fotosintetati nelle aree colonizzate bollosità e accartocciamenti
fogliari.
EFFETTI SULLA RESPIRAZIONE: in genere si osserva un aumento
del tasso respiratorio; l’aumento è più precoce nelle combinazioni
incompatibili, al fine di rendere disponibile energia per poter mettere in
atto sistemi di difesa post-infezionali.
EFFETTI SULLA PERMEABILITA’ DI MEMBRANA: in genere si
osserva un aumento della permeabilità perdita incontrollata di
sostanze utili al patogeno e entrata incontrollata di sostanze tossiche per
la cellula (enzimi, tossine).
EFFETTI SULLA TRASCRIZIONE DEL DNA IN mRNA: virus e altri
parassiti obbligati come agenti di ruggini e mal bianchi modificano la
trascrizione; i virus inducono sintesi di mRNA virali da parte della
cellula vegetale ospite; in generale: aumento dell’attività trascrizionale,
anche per attivazione dei meccanismi di difesa.
EFFETTI SULLA TRADUZIONE: l’aumento della sintesi proteica è
molto marcato nelle reazioni incompatibili (resistenti). Le reazioni di
incompatibilità sono annullate dal trattamento con inibitori della sintesi
proteica.
MECCANISMI DI
FITOPATOGENI
DIFESA
DELLE
PIANTE
CONTRO
I
• La reazione di compatibilità (
malattia) è da considerarsi una
eccezione rispetto alla regola, che è rappresentata dalla resistenza
(incompatibilità);
• in media esistono circa 100 microrganismi patogeni per ogni pianta
• in genere, le piante resistono benissimo all’attacco dei potenziali
patogeni con cui vengono a contatto.
• ciò avviene grazie a particolari caratteristiche (meccanismi) che
possono essere classificati come segue:
1. Caratteristiche strutturali (morfologiche) pre-esistenti o indotte;
2. Caratteristiche biochimiche pre-esistenti o indotte.
MECCANSIMI DI DIFESA MORFOLOGICI PRE-INFEZIONALI:
consistenza e qualità delle cere epicuticolari; struttura dell’epidermide;
numero e forma degli stomi e delle lenticelle e loro grado di apertura;
presenza di peli o tricomi; spessore della cuticola; cellule
sclerenchimatiche delle venature (provocano la compartimentazione
delle maculature angolari).
MECCANISMI MORFOLOGICI POST-INFEZIONALI (INDOTTI):
formazione di strati di sughero; compartimentazione del sito di
penetrazione; blocco del patogeno e del flusso di sostanze nutritive (verso
l’esterno) o tossiche (verso l’interno); formazione di strati di abscissione
(“impallinatura” delle drupacee); formazione di tille; impregnazione dei
vasi con gomme; ispessimento delle pareti cellulari; formazione di
papille, ...
MECCANISMI DI DIFESA BIOCHIMICI PRE-INFEZIONALI:
presenza nei tessuti della pianta di sostanze fungitossiche; essudati
radicali; sostanze repellenti; es. catecolo e acido protocatechico in cipolle
a catafilli rossi che provocano l’inibizione di conidi di Botrytis e
Colletotrichum e sono più resistenti delle cipolle a catafilli bianchi;
mancanza di sostanze attrattive o di fattori di riconoscimento; mancanza
dei siti recettori sensibili alle tossine prodotte dal patogeno; mancanza di
sostanze essenziali al patogeno (fattori di crescita o di patogenicità);
presenza di inibitori (tannini, fenoli; chitinasi e β−glucanasi).
β−
MECCANISMI DI DIFESA BIOCHIMICI POST-INFEZIONALI:
attivazione del metabolismo fenolico e produzione di sostanze fenoliche
nella reazione ipesensibile; produzione di fitoalessine (pisatina,
faseollina, gliceollina) cui corrispondono spesso meccanismi di
detossificazone da parte dei patogeni (es. il fungo Nectria haematococca =
Fusarium solani produce pisatina demetilasi che detossifica la
fitoalessina pisatina prodotta da pisello); perossidasi; fenoli ossidati
chinoni
condensazione per formare melanine che sono
insolubili; aumento sintesi di lignina; detossificazione di tossine fungine
(es. acido fusarico, piricularina) da parte di varietà di piante resistenti.
RESISTENZA
DELLE
PATOGENICITA’
PIANTE
e
GENETICA
DELLA
RESISTENZA ORIZZONTALE: poligenica, in genere non impedisce
l’aggressione ma blocca o ritarda il patogeno dopo l’infezione.
RESISTENZA VERTICALE: mono- o oligogenica; in genere blocca
l’insediarsi del patogeno nelle primissime fasi dell’infezione.
Possono sussistere fino a 0-40 geni di resistenza nella stessa specie nei
confronti di un certo patogeno; ogni varietà in genere ne ha 1-3 per
ciascun patogeno.
Idealmente: combinare nella stessa varietà coltivata geni di resistenza
verticale ed orizzontale.
RESISTENZA APPARENTE: la pianta si sottrae al patogeno, ne evita
l’infezione attraverso meccanismi quali: germinazione rapida, un ciclo
più breve, adattabilità a climi asciutti in cui il patogeno non possa
sopravvivere, …
TOLLERANZA: la pianta attaccata dal patogeno è in grado di
concludere il proprio ciclo riproduttivo. Non sempre la TOLLERANZA
BIOLOGICA coincide con la TOLLERANZA ECONOMICA!
il livello di resistenza genetica
può variare a seconda del
patosistema
Resistenza genetica
dell’orzo a
Puccinia hordei
GENI DI PATOGENICITA’: codificano nel patogeno i fattori di
patogenicità, ad esempio la formazione di appressori, di austori, la
sintesi di enzimi litici o di tossine, ...
GENI DI AVIRULENZA: codificano nel patogeno elicitori, sostanze che
vengono riconosciute dalla pianta ospite attraverso recettori (codificati
da geni di resistenza); gli elicitori in certe combinazioni pianta-patogeno
possono anche coincidere con fattori di patogenicità il gene di
patogenicità corrisponde al gene di avirulenza.
PIANTA
PATOGENO
recettore elicitore
R+A
R+a
r+A
r+a
Nella pianta:
Allele di resistenza (in genere dominante)
Allele di suscettibilità (in genere recessivo)
Nel patogeno:
Allele di avirulenza (in genere dominante)
Allele di virulenza (in genere recessivo)
Solo e coesistono allele di resistenza e allele di avirulenza la pianta è in
grado di “riconoscere” il patogeno come “non-self” e reagisce mettendo
in atto tutti i meccanismi morfologici e biochimici indotti visti prima. In
tutti gli altri casi o manca l’elicitore nel patogeno o manca il recettore
nella pianta e la combinazione sarà compatibile la pianta si ammala.
CONCETTO GENE-PER-GENE: “ad ogni gene di avirulenza del
patogeno corrisponde un gene di resistenza della pianta ospite”
equilibrio dinamico di co-evoluzione; qualora non accadesse, ci sarebbe
la sparizione della pianta ospite o del patogeno (o di entrambi); espresso
da Flor (1971) che studiò il patosistema lino/ruggine del lino:
Dimostrato in un numero sempre maggiore di piante con resistenza
mono- o oligogenica di tipo verticale; i miglioratori lo applicano sempre,
quando creano nuove varietà coltivate (cultivar).
in altri termini: i geni di resistenza codificano per fattori di riconoscimento
i geni di avirulenza codificano per molecole riconoscibili dalla pianta
resistente
Riepilogando:
• la resistenza delle piante nei confronti dei fitopatogeni è spesso basata
su singoli geni dominanti
• l’avirulenza dei patogeni nei confronti delle piante è spesso basata su
geni dominanti complementari a quelli di resistenza
• la genetica classica dimostra che i geni di resistenza in molte piante
tendono a raggrupparsi in sequenze adiacenti (linkage groups)
• geni di resistenza in piante appartenenti a gruppi tassonomici diversi
sono spesso correlati a livello di sequenza
• il modello presuppone l’esistenza di famiglie multigeniche che
comprendono geni di resistenza evoluti in modo da essere costituiti da
regioni ipervariabili (recettori ?) e regioni conservate (struttura di base
e induzione della risposta di resistenza)
• analogie con gli anticorpi
Dove si vanno a cercare i geni di resistenza?
• nei luoghi di origine (biodiversità);
-
• in seguito a mutazioni (fisiche, chimiche)
• sfruttando la variabilità somaclonale
• mediante trasformazione genetica.
EFFETTI AMBIENTALI SULLO SVILUPPO DELLE MALATTIE
INFETTIVE
L’ambiente: terza componente del triangolo pianta-patogeno-ambiente,
influenza l’evoluzione della patogenesi attraverso diversi fattori:
Temperatura: esigenze variabili a seconda del patogeno; influenza la
durata del periodo di incubazione, la maturazione nelle varie fasi del
ciclo di sviluppo del patogeno; la durata della fase di suscettibilità della
pianta ospite; l’optimum termico del patogeno non sempre coincide con
l’optimum della pianta ospite; per i virus e fitoplasmi trasmessi da vettori
la temperatura ha un effetto sulla mobilità dei vettori (insetti, funghi,
nematodi).
Umidità: pioggia, irrigazione soprachioma o per scorrimento, umidità
relativa dell’aria, rugiada, nebbia, ...; effetti sulla germinazione dei
conidi, sulla penetrazione del tubulo o dello stiletto di penetrazione nella
pianta ospite; influenza la diffusione dei batteri e dei funghi attraverso
gli schizzi; influenza la sensibilità della pianta, la durata del periodo di
incubazione, l’infezione, ... l’optimum di umidità è variabile per i diversi
patogeni.
Vento: veicola i patogeni (direttamente o attraverso i vettori); riduce il
tempo di bagnatura degli organi fogliari se sopraggiunge al mattino o
dopo una pioggia, quindi ha effetto sulla infezione, ritardandola.
Luce: la carenza di luce determina eziolamento e in genere aumento di
sensibilità nelle piante a parassiti non obbligati.
pH del terreno: condiziona fortemente sia la pianta che i patogeni.
Sostanze minerali:
• azoto: aumenta la massa fogliare, rende i tessuti più teneri e
suscettibili;
• fosforo: effetto diverso a seconda del patosistema;
• potassio: in genere aumenta la resistenza della pianta ospite;
• calcio: idem, per salificazione dell’apoplasto;
• microelementi: in quantità ottimale possono aumentare la
resistenza della pianta.
EPIDEMIOLOGIA (EPIFITOLOGIA)
EPIDEMIA (EPIFITIA): “aumento dell’incidenza di una determinata
malattia, in genere repentino e relativamente localizzato”
EPIDEMIOLOGIA: studia le epidemie e le cause che concorrono allo
scoppio delle epidemie
TEMPO
PATOGENO
AMBIENTE
PIANTA OSPITE
FATTORI RELATIVI AL TEMPO: periodo dell’anno, durata delle
condizioni ottimali di temperatura e umidità, tempo di comparsa del
vettore, tempo di permanenza del vettore sulla pianta, durata del ciclo di
malattia, precocità dell’ospite, …
FATTORI RELATIVI ALL’OSPITE: livello di resistenza genetica,
livello di omogeneità genetica, tipo di pianta, età della pianta, …
FATTORI RELATIVI AL PATOGENO: livello di virulenza, quantità di
inoculo, tipo di riproduzione, durata del ciclo riproduttivo, ecologia,
diffusione, …
FATTORI RELATIVI ALL’AMBIENTE:
luminosità, pH, sali minerali, …
temperatura,
umidità,
UOMO come quinta componente: scelta della coltura, scelta del sito,
scelta delle condizioni colturali, operazioni colturali, vettore di nuovi
parassiti, …
RELAZIONE TRA CICLI DI MALATTIA ED EPIDEMIE
PATOGENI MONOCICLICI (es. agenti di carboni, molte ruggini di
piante arboree, alcuni patogeni vascolari): si moltiplicano solo alla fine
dell’unico ciclo e restano quiescenti fino all’anno successivo; la quantità
di inoculo a fine stagione è in genere maggiore di quella iniziale aumento progressivo dell’incidenza.
PATOGENI POLICICLICI (es. agenti di mal bianco , muffa grigia da
Botrytis cinerea, peronospora della vite da Plasmopara viticola): hanno
più generazioni nella stessa stagione molti cicli di infezione (2-30);
l’inoculo si moltiplica di volta in volta; spesso sono trasportati dal vento
o da vettori e portano allo scoppio di epidemie. L’inoculo primario in
genere corrisponde alla forma perfetta (sessuata) o a strutture di
svernamento/estivazione che assicurano la sopravvivenza in assenza
della pianta ospite; l’inoculo secondario di solito è rappresentato da
grandi masse di conidi asessuati che danno luogo a successivi cicli di
infezione.
PATOGENI POLIETICI: necessitano di più di un anno per completare
il loro ciclo (ad es. patogeni vascolari di piante arboree).
La grafiosi dell’olmo
(Ophiostoma novo-ulmi)
MISURAZIONE DELL’INTENSITA’ DELLE FITOPATIE
INCIDENZA: è il numero o la proporzione (ad es. in %) di piante o di
parti di pianta colpite da un patogeno; non sempre corrisponde alla
gravità (ad es. se si sceglie di considerare colpite le piante che presentano
una singola macchia su una foglia).
GRAVITA’: di solito viene espressa come % della superficie della pianta
o di una sua parte colpita (foglia, fusto, frutto, radice, ...) o distrutta dal
patogeno.
PERDITA DI RACCOLTO (PERDITA ECONOMICA): correlazione
con gli altri fattori dipende da coltura a coltura (es. per colture da fiore è
sufficiente un danno minimo per rendere il prodotto non più
commerciabile).
ANDAMENTO DELLE EPIDEMIE
Espresso in termini di numero di lesioni, quantità di tessuto colpito,
numero di piante con sintomi, etc., in funzione del tempo.
Esempio 1: patogeni monociclici con diverso tasso di accrescimento:
70
60
gravità (%)
50
a
40
b
30
c
20
10
0
1
2
3
4
5
6
7
settimane dalla semina
8
9
10
Esempio 2: patogeno policiclico (es. Plasmopara viticola):
140
120
gravità (%)
100
80
60
40
20
0
1
2
3
4
5
6
7
8
settimane dalla semina
9
10
11
Esempio 3: patogeno policiclico bimodale (es. Monilia sp. su pesco):
colpisce gemme e frutti in tempi diversi nella stagione:
120
gravità (%)
100
80
60
40
20
0
1
2
3
4
5
6
7
8
settimane dall'apertura delle gemme
9
10
11
TASSO DI CRESCITA DI UNA EPIDEMIA: simmetrico o asimmetrico
(più grave all’inizio o alla fine della stagione vegetativa);
GRAVITA’ FINALE: dipende dalla quantità di inoculo iniziale e dal
tempo in cui patogeno e pianta sono a contatto, nelle condizioni
favorevoli.
MALATTIE MONOCICLICHE: la quantità di inoculo non cresce nella
stagione la gravità dipende dalla virulenza del patogeno, dalla
sensibilità dell’ospite e dai fattori ambientali; in questo caso la quantità
di inoculo iniziale è MOLTO IMPORTANTE.
MALATTIE POLICICLICHE: l’inoculo iniziale ha una importanza
minore, molto meno rispetto al numero di cicli successivi, che portano ad
un continuo aumento della carica di inoculo.
TASSO DI INCREMENTO o DI CRESCITA è simile al TASSO DI
INTERESSE per calcolarlo si possono applicare le formule di
capitalizzazione bancaria:
MALATTIE MONOCICLICHE (A INTERESSE SEMPLICE):
xt = x0 (1+ rt)
MALATTIE POLICICLICHE (A INTERESSE COMPOSTO):
xt = x0 . er1t
dove xt = quantità di malattia al tempo t
dove x0 = quantità di malattia al tempo 0
r1 = tasso di infezione esponenziale
rt = tasso di infezione apparente
e = base logaritmi naturali
ad es.: tasso di incremento pari a 0,02 al giorno per verticilliosi del cotone
(malattia monociclica); 0,3-0,6 al giorno per ruggini dei cereali,
peronospora della vite e della patata (malattie policicliche); 0,8 all’anno
per Ophiostoma novo-ulmi (patogeno polietico).
MODELLI PREVISIONALI
• In genere mirano alla previsione della gravità di una epifitia allo
scopo di scegliere il giusto momento di intervento (soglia economica
del trattamento).
• Prendono in considerazione fattori relativi al patogeno (tasso di
crescita, ciclo, temperatura ottimale, capacità di differenziare
forme di svernamento o estivazione, presenza di ospiti alternativi,
virulenza, ...), fattori relativi alla pianta (presenza di geni di
resistenza, lunghezza della fase vegetativa suscettibile, habitus
vegetativo, ...), e fattori ambientali (temperatura, umidità, presenza
di un velo d’acqua sulla superficie fogliare, permanere delle
condizioni favorevoli all’epifitia, ...).
MODELLI PREVISIONALI
• Possono tenere in considerazione la entità dell’inoculo
primario presente (soprattutto per patogeni monociclici).
• In certi casi considerano serie storiche delle condizioni
ambientali e valutano lo scostamento della condizione attuale
dalla media delle serie storiche (in questo caso è molto
importante dove il modello viene messo a punto, in quanto le
condizioni possono cambiare moltissimo).
• Matematizzazione dei parametri, elaborazione di un modello,
validazione del modello previsionale in diverse condizioni
ambientali e colturali.
Plasmopara viticola
Regola dei 3 dieci:
germogli lunghi almeno 10 cm
temperatura media di almeno 10°C
almeno 10 mm di pioggia (infettante)
calcolo del periodo di incubazione
X
METODI DI LOTTA CONTRO I PATOGENI
• le piante sono in genere considerate nel loro insieme, non
individualmente;
• quasi tutte le tecniche di lotta mirano alla prevenzione
• la lotta deve essere armonizzata a criteri economici, sanitari e
ambientali
• ove possibile, sono da applicare tutte le tecnologie (incluse le
biotecnologie) miranti alla salvaguardia della salute delle piante nel
rispetto dell’ambiente e dei vincoli igienico-sanitari.
Nel triangolo patogeno-pianta-ambiente, le tecniche di lotta mirano a:
1) inibire direttamente il patogeno
2) ridurre la suscettibilità dell’ospite
3) modificare l’ambiente in senso sfavorevole al patogeno
CLASSIFICAZIONE DEI CRITERI DI LOTTA:
Preventivi (profilattici): mirano a prevenire l’infezione o contrastano il
patogeno aumentando la resistenza dell’ospite
Curativi: curano la pianta ad infezione avvenuta
PREVENZIONE (PROFILASSI):
1) impedire il contatto tra ospite e parassita (esclusione);
2) inattivare l’inoculo con metodi estintivi, anche a costo di
sopprimere le piante malate (eradicazione);
3) trattare la pianta con prodotti “di copertura” (o “preventivi”) in
modo da ostacolare l’attività dei patogeni quando questi siano già
venuti a contatto con l’ospite (protezione)
ESCLUSIONE: è il metodo più razionale ed efficace (ove possibile):
mira ad impedire il contatto tra ospite e patogeno. Può impiegare mezzi
di lotta legislativi (es. quarantena), mezzi fisici (es. serre), mezzi
colturali, mezzi biologici.
Quarantena: mira ad escludere l’introduzione in uno stato, unione di
stati o continente, di patogeni presenti in una lista di patogeni da
quarantena, non ancora presenti nella zona di interesse; può anche essere
efficace se effettuata a livello aziendale, utilizzando materiale di
propagazione sano e certificato; interdizione totale, interdizione parziale,
regolamentazione dell’accesso; patogeni da quarantena; disciplina della
certificazione fitosanitaria; disciplina dei trattamenti obbligatori da fare
su certe derrate alimentari o prodotti di origine vegetale; difficoltà di
operare controlli a tappeto su tutte le merci in ingresso.
Certificazione dello stato fitosanitario del materiale di propagazione (da
parte di laboratori accreditati): importantissimo sopratutto per piante a
moltiplicazione clonale (talee, tuberi, rizomi).
Esclusione fisica: barriere frapposte al patogeno (barriere “insect-proof”
per evitare l’arrivo di vettori, impiego di filari alterni, barriere
frangivento, coltura su bancale sopraelevato, trincee, fogli riflettenti...),
anticipazione o posticipazione delle date di semina.
Conservazione
Premoltiplicazione
Moltiplicazione
Vendita
CCP PRE-BASE
CP BASE
CM CERTIFICATO
Vivaio CERTIFICATO
ERADICAZIONE: distruzione dell’inoculo di patogeni esotici o di nuova
introduzione o ricorrenti; distruzione delle piante colpite; disinfezione
degli attrezzi, delle serre, dei contenitori; distruzione dell’inoculo sulle
piante a riposo vegetativo o sui residui colturali.
Tecniche:
• rotazione colturale: contro patogeni che conducono il ciclo nel
terreno e non producono organi di resistenza.
• sanitizzazione: mira a distruggere o ridurre l’inoculo presente
nella/sulla pianta, nel campo, nella serra, e la sua diffusione aratura, bruciatura dei residui, distruzione dei residui di potatura,
disinfezione degli utensili.
• Metodi biologici per ridurre o eradicare l’inoculo: lotta biologica;
terreni repressivi; lotta biologica nel terreno, sul filloplano, in postraccolta.
• Metodi fisici per ridurre o eradicare l’inoculo: trattamento del
terreno con vapore; solarizzazione del terreno; termpoterapia con
calore secco, calore umido, acqua calda; trattamenti con radiazioni
UV, γ, raggi x; refrigerazione dei prodotti vegetali freschi;
atmosfera controllata; essiccazione; eliminazione della linghezza
d’onda UV nelle serre con filtri per impedire la sporificaione di
Botrytis, Stemphylium, Alternaria, ...
• Metodi chimici per ridurre o eradicare l’inoculo: trattamento del
terreno/magazzini/serre con fumiganti; bagnatura del terreno con
fungicidi; disinfezione con ipoclorito; lotta chimica contro i vettori
(efficace solo se effettuata nei siti di svernamento).
LOTTA MEDIANTE “IMMUNIZZAZIONE” O AUMENTO DELLA
RESISTENZA DELLA PIANTA OSPITE
• resistenza indotta
• protezione incrociata
• impiego di varietà resistenti
• impiego di multilinee
• impiego di piante transgeniche resistenti ai patogeni
• miglioramento delle condizioni di allevamento della pianta.
CREAZIONE DI CONDIZIONI SFAVOREVOLI AL PATOGENO:
ambienti di conservazione freschi e asciutti, riscaldamento notturno e
arieggiamento diurno delle serre, aumento delle spaziature tra le file;
drenaggio, concimazioni bilanciate; evitare eccessi di fertilità del
terreno; regolazione del pH del terreno.
PROTEZIONE DIRETTA DELLE PIANTE
Si applica quando:
• i patogeni sono endemici
• nessun metodo preventivo (colturale, genetico, fisico, biologico,
chimico) è efficace per evitare il contatto diretto tra ospite e
patogeno
Può essere biologica o chimica.
Protezione diretta mediante antagonisti biologici:
• su legno: es. Phlebiopsis gigantea contro Heterobasidion annosum;
Cryphonectria parasitica dsRNA contro ceppi virulenti.
• su semi, radici, rizosfera: Fusarium spp. antagonisti contro F.
oxysporum patogeni; micorrize contro Phytopthora, Fusarium,
Verticillium spp.; Trichoderma spp. contro diversi patogeni;
Agrobacterium radiobacter contro A. tumefaciens; Bacillus subtilis,
Pseudomonas spp. fluorescenti, Streptomyces spp. contro diversi
patogeni.
• sul filloplano: Ampelomyces quisqualis contro Sphaerotheca e
Uncinula spp. (mal bianchi); lieviti diversi contro agenti patogeni
fogliari; Trichoderma spp. contro Botrytis cinerea, etc.
• in post-raccolta: Trichoderma spp. contro Botrytis cinerea; lieviti
contro Penicillium, Botrytis, Monilia spp.; Bacillus subtilis contro
Monilia spp.; Pseudomonas ice- contro Pseudomonas e Erwinia spp.
ice+
La lotta biologica
“l’impiego di qualsiasi organismo
vivente (escluso l’uomo) per il
contenimento dell’attività
parassitaria di un fitopatogeno”
Cook & Baker, 1983
Antagonista
“agente biologico in grado di interferire
con i processi vitali dei fitopatogeni”
Cook & Baker, 1983
“Everything is born to eat and to be eaten”
Charles Darwin
Fattori che contribuiscono allo
sviluppo della lotta biologica
•
•
•
•
•
•
•
•
riduzione dell’impiego di fitofarmaci
inquinamento del terreno e delle falde
presenza di residui nei prodotti agricoli
comparsa di resistenza
effetti sulla (micro)flora e (micro)fauna utili
riduzione del numero di p.a. registrati
aumento di informazione nel settore agricolo
tutela dei consumatori
Meccanismi d’azione degli antagonisti
•
•
•
•
•
•
competizione
antibiosi
predazione
iperparassitismo
ipovirulenza
induzione di resistenza
diversi
meccanismi
d’azione
possono
coesistere nello stesso antagonista
la perfetta conoscenza del meccanismo
di azione consente di sfruttare al meglio
le potenzialità dei mezzi biologici di lotta
COMPETIZIONE
• per lo spazio (nicchia ecologica)
• per le sostanze nutritizie
• per fattori presenti in quantità
limitata (acqua, ferro, aminoacidi
essenziali)
140
3C1-b
F1
M25
120
100
80
60
40
20
M25
F1
Filtrato
3C1-b
Autoclavate
Cellule vive
Test
0
Lotta biologica in post-raccolta
Competizione tra lievito e
Penicillium per l’azoto
20
15
Test
Yeast + KNO3
Yeast + Mg(NO3)2
Yeast + Ca(NO3)2
Yeast + NaNO3
Yeast + NH4NO3
Yeast
10
5
F1
3C-1b
M25
0
ANTIBIOSI
• ruolo non sempre ben chiarito
• degradabilità degli antibiotici in
sistemi naturali
• problematiche d'ordine
igienico- sanitario
• Pseudomonas spp., Bacillus spp.
Attinomiceti, T. virens
IPOVIRULENZA
• variabilità naturale nel livello di virulenza delle
popolazioni di fitopatogeni
• fitness e pressione di selezione
• ceppi ipovirulenti con elevata capacità
competitiva possono diventare dominanti
• l’ipovirulenza può avere natura infettiva
Cryphonectria
parasitica
ceppi ipovirulenti
INDUZIONE DI RESISTENZA
• aspecifica e transitoria (batteri e funghi) o
specifica e persistente (virus)
• effetti sulla pianta: aumento dell’attività
respiratoria, metabolismo fenolico, biosintesi e
accumulo di lignine, fitoalessine, PR-proteins,
formazione di tille
• stabilità genetica e rischio ambientale
Resistenza indotta (Linum usitatissimum/Fusarium oxysporum)
(1) reazione di una cellula
ipodermica
(aggregazioni
citoplasmatiche) adiacente a cellula
epidermica colonizzata da un ’ifa
dell ’antagonista
(2) cellule corticali collassate,
distorte e riempite di materiale
osmiofilo
H
H
CC
HC
1
HC
2
H
H
(3) formazione di una papilla di
occlusione
EC
IS
(4) papilla formatasi in una cellula
adiacente a spazio intercellulare
colonizzato dall ’antagonista
3
4
Papaya transgenica esprime il gene codificante la
proteina capsidica del PRSV e resiste agli attacchi
del virus
Linee transgeniche di melo cv
'McIntosh' esprimono geni codificanti
endo- o exochitinasi e resistono a
Venturia inaequalis
PREDAZIONE
• scarsa applicabilità pratica
• insetti
• nematodi
• protozoi
• amebe
IPERPARASSITISMO
• il micoparassita utilizza i tessuti del
fitopatogeno quali fonti di nutrimento
• fasi: riconoscimento, attrazione
chemiotropica, coiling, perforazione e
parassitizzazione
• ruolo delle idrolasi extracellulari
Arthrobotrys
Nematoctonus
Dactylaria
Hirsutella
Catenaria
Interazione Catenaria anguillulae - nematode
Interazione Pythium oligandrum - Botrytis cinerea
Interazione Trichoderma spp. / Rhizoctonia solani
Interazione Trichoderma harzianum / Rhizoctonia solani
Attrazione fatale
Riconoscimento, attrazione chemiotropica, coiling, ...
The chitinolytic system of Trichoderma
harzianum (Lorito, 1998, modif.)
Enzyme Activity
Reference
CHIT102 hexosaminidase Haran et al., 1994
CHIT72 hexosaminidase Lorito et al., 1994
(CHIT73)
Haran et al., 1994
Ridout et al., 1993
CHIT64 hexosaminidase Ulhoa and Peberdy, 1991
CHIT52 endochitinase Haran et al., 1994
CHIT42 endochitinase Ulhoa and Peberdy, 1994
de la Cruz et al., 1993
Harman et al., 1993
Lorito et al., 1993
CHIT40 chitobiosidase Harman et al., 1993
CHIT37 endochitinase de la Cruz et al., 1993
CHIT33 endochitinase de la Cruz et al., 1993
Haran et al., 1994
CHIT31 endochitinase Haran et al., 1994
CHIT28 hexosaminidase Deane et al., 1995
The chitinolytic system of Trichoderma
harzianum (Lorito, 1998, modif.)
Enzyme Cloned gene Reference
CHIT102
CHIT72
(CHIT73)
CHIT64
CHIT52
CHIT42
CHIT40
CHIT37
CHIT33
CHIT31
CHIT28
nag1
exc1
ThEn-42
chit 42
ech-42
chi1
chit36
chit33
-
Peterbauer et al., 1996
Draborg et al., 1995
Hayes et al., 1994
Garcia et al., 1994
Carsolio et al., 1994
Draborg et al., 1996
Viterbo et al., 2001
Limon et al., 1995
-
Other lytic enzymes-encoding genes cloned
in biocontrol strains of Trichoderma
Gene Protein
Reference
prb1
bgn13.1
bgn16.2
lam1.3
gluc78
Geremia et al., 1993
de la Cruz et al., 1995
Lora et al., 1995
Cohen-Kupiek et al., 1999
Donzelli et al., 2001
protease
β-1,3-endoglucanase
β-1,3-endoglucanase
β-1,3-exoglucanase
1,3-β
β-glucosidase
Characteristic hyphal wall polymers of fungi
(Griffin, 1994)
Fungi
Wall polymers
Alkali soluble
Chromista
β-glucan
Hyphochitridiomycetes Not determined
Chitridiomycetes
β-glucan
Glucurono-manno-protein
Zygomycetes
polyphosphate
Ascomycetes
Galacto-manno-protein
α-glucan
Xylo-manno-protein
Basidiomycetes
α-glucan
Alkali insoluble
β-glucan and cellulose
Cellulose and chitin
β-glucan and chitin
Polyglucuronic acid
Chitosan and chitin
β-glucan
chitin
β-glucan
chitin
Cellulolytic genes cloned in Trichoderma
Enzyme
Reference
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cellobiohydrolase II (T. reesei) Chen et al., 1987
Teeri et al., 1987
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Penttilä et al., 1986
Arsdell et al., 1987
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Saloheimo et al., 1988
Barnett et al., 1991
β-glucosidase (T. reesei)
Christopher et al., 1991
cbh42 (T. viride)
Wang et al., 1996
egl1 (T. longibrachiatum)
Gonzales et al., 1992
cbh1 and cbh2 reported
in 8 Trichoderma species
Morawetz et al., 1993
Trichoderma longibrachiatum
sovraesprime egl1 e presenta
una accresciuta attività
antagonistica verso Pythium
ultimum rispetto al selvatico
Attività antagonistica di Trichoderma longibrachiatum
Ceppo
Wild type
Co-T3
Co-T4
Co-T5
Co-T8
Co-T12
Ctrl. inoculato
Ctrl. sano
Copie Attività
egl1 CMCasi
(U ml-1)
1
30
15
15
100
60
---
Piante sane (%)
+P. ultimum -P. ultimum
2.2
44.0
98.0
13.4*
22.0
90.0
18.8*
56.0*
100.0
28.9**
66.0**
90.0
11.6*
52.0*
94.0
28.6**
80.0**
100.0
-22.0
---94.0
ANTAGONISTA MICROBICO
• efficacia
• economicità
• sicurezza
affidabilità (costanza di azione)
L’antagonista ideale
• non produce sostanze tossiche
• non è patogeno
• ha un ampio spettro d’azione
• è compatibile con fungicidi, cere, etc.
• è efficace anche in fase di conservazione
• cresce su substrati poco costosi
• si adatta a diverse condizioni ambientali
• è efficace a basse concentrazioni
• è facile da formulare
LE FASI DI SVILUPPO DI
UN ANTAGONISTA
•
•
•
•
•
•
Isolamento
Potenziamento
Analisi dell'impatto ambientale
Produzione su larga scala
Formulazione
Brevettazione, registrazione
ISOLAMENTO DEGLI ANTAGONISTI
• da filloplano, da rizosfera, da carposfera, da
terreno, ...
• isolamento non mirato (massale)
• isolamento mirato o selettivo
• isolamento e contemporanea selezione degli
antagonisti in presenza del patogeno
SELEZIONE DEGLI ANTAGONISTI
• valutazione dell’antagonismo
in vitro
in planta (in fructo)
in condizioni controllate
in campo
SELEZIONE IN VITRO
• vantaggi e svantaggi
• composti inibitori diffusibili
• composti volatili
• enzimi litici
• competizione
• micoparassitismo
Biosaggio su Vicia faba / Rhizoctonia solani
SELEZIONE ASSISTITA
• marcatori molecolari (RAPD, AFLP, DAF, etc.)
• espressione di geni "utili"
• DNA - protein microarray
MANIPOLAZIONE GENETICA DEGLI
ANTAGONISTI
• esposizione a fungicidi o antibiotici
• mutagenesi
• ibridazione sessuale o parasessuale
• fusione di protoplasti
• trasformazione
VALUTAZIONE DI IMPATTO
AMBIENTALE
• esclusione degli organismi non-bersaglio
• allergenicità verso uomo / animali
• tossicità e patogenicità
• stabilità genetica
• tracciabilità (fingerprinting)
• "rischio aggiunto" del transgene
LE STRATEGIE PER IL FUTURO
• tecniche di selezione
• miglioramento genetico
• sfruttamento della biodiversità
• studio dei meccanismi di azione
• valutazione impatto ambientale
• integrazione ricerca-industria
• tecniche di formulazione e distribuzione
• preparazione e aggiornamento tecnici
• uniformità legislativa
Protezione diretta mediante mezzi chimici:
• impiego di composti fungicidi, battericidi, nematocidi, erbicidi
• spettro d’azione di fitofarmaci
• fungicidi (circa 90% dei prodotti impiegati) possono essere:
a) ad ampio spettro/specifici
b) sistemici/citotropici/di copertura
c) curativi/preventivi
d) ad applicazione fogliare, radicale, per bagnatura del
terreno, concia dei semi, ..
e) polveri bagnabili/liquidi, granulari, gassosi, slurry, ...
Metodi di applicazione dei prodotti chimici:
Trattamenti fogliari: con prodotti preventivi (in genere inibiscono la
germinazione dei conidi o devitalizzano i conidi prima che l’infezione
abbia luogo; alcuni nuovi prodotti inibiscono la sporificazione del fungo
patogeno o lo privano dei fattori di patogenicità); con prodotti citotropici
(translaminari, possono essere traslocati soltanto attraverso la lamina
fogliare); con prodotti sistemici, traslocati per via xilematica, alcuni per
via floematica.
Prodotti di copertura (preventivi):
azione protettiva limitata alla superficie dell’organo trattato
importante il momento di applicazione
necessità di ripetere il trattamento se piove (per dilavamento del
prodotto) e se si sviluppa nuova vegetazione dopo il primo
trattamento ogni 1-14 giorni, a seconda dello stadio vegetativo e
dell’andamento climatico.
Vantaggi dei prodotti sistemici:
rendono possibile allungamento dell’intervallo tra i trattamenti in
quanto non sono dilavati e si redistribuiscono nella vegetazione neoformata.
Trattamenti al seme e al materiale propagativo: differenza tra
contaminazione (esterna) e infezione (interna) del seme; prodotti d
contatto o sistemici; sinergismo tra azione fungicida e temperatura;
miscele di fungicidi spettro più ampio; trattamenti al seme con
prodotti sistemici piantina protetta anche nelle prime fasi dopo
l’emergenza.
Trattamenti al terreno: oltre ai fumiganti (vapam, isotiocianato di metile
e derivati, cloropicrina, bromuro di metile, etc.), ad azione toticida,
possono essere impiegati anche fungicidi (in formulati granulari o
liquidi) per la lotta contro funghi terricoli.
Trattamenti delle ferite di potatura: necessari per proteggere da agenti
di cancri, marciumi del legno (carie) e parassiti vascolari; in genere in
formulati a base di mastici da applicare sulla superficie di taglio.
Trattamenti in post-raccolta: per proteggere la frutta e le derrate
dall’attacco di funghi agenti di marciume, molti dei quali sono
produttori di micotossine (Aspergillus spp., Penicillium spp., Fusarium
spp.); possono essere fatti con prodotti chimici (fungicidi) o biologici (in
genere formulati a base di lieviti o batteri antagonisti).
PRINCIPALI COMPOSTI IMPIEGATI NELLA LOTTA CONTRO I
FITOPATOGENI
DERIVATI DEL RAME:
• poltiglia bordolese (solfato di rame + idrossido di calcio)
• idrossido di rame
• ossicloruro di rame
ZOLFO E DERIVATI INORGANICI:
•
•
Zolfo in polvere o in sospensione (zolfi bagnabili); diverso diametro
delle particelle diversa attività in relazione alla temperatura;
rischio di fitotossicità a temperature elevate. impiegato contro mal
bianchi in genere.
polisolfuro di calcio e polisolfuro di bario: contro mal bianchi,
fumaggini, bolla del pesco, ticchiolatura dei fruttiferi, azione
acaricida.
DERIVATI ORGANICI DELLO ZOLFO:
• ditiocarbammati: thiram, ziram, ferbam, maneb, zineb, mancozeb;
ampio spettro d’azione.
COMPOSTI AROMATICI:
• pentacloronitrobenzene: trattamenti al legno da opera.
• dichloran: contro Botrytis, Sclerotinia, Rhizopus, Penicillium, ... (postraccolta).
• chlorothalonil: ampio spettro.
DICARBOSSIMIDI:
• iprodione, vinchlozolin, procymidone (contro Botrytis, Sclerotinia,
Monilia).
ACILALANINE:
• metalaxyl: contro Pythium, Phytophthora, Plasmopara, Peronospora
(oomiceti).
BENZIMIDAZOLI:
• benomyl, carbendazim, thiabendazolo, tiofanate metile: ampio
spettro d’azione, sono i primi sistemici entrati in commercio.
OSSATINE:
• carbossina, ossicarbossina: contro agenti di carbone, ruggine,
Rhizoctonia solani.
MORFOLINE:
• dodemorf, tridemorf: contro agenti di mal bianco, Septoria, Alternaria.
PIRIMIDINE:
• dimethirimol, ethirimol, bupirimate: contro mal bianchi.
TRIAZOLI:
• triadimenol, triadimeforn, bitertanol, propiconazole: contro mal
bianchi.
ORGANOFOSFATI:
• fosetyl-Alluminio: contro oomiceti; traslocazione floematica; agiscono
aumentando la resistenza della pianta al patogeno.
ALTRI SISTEMICI:
• imazalil, prochloraz: contro ascomiceti in genere, mal bianchi,
marciumi dei frutti, Fusarium spp.
• propamocarb: contro oomiceti e alcune ruggini.
• triforine: contro ascomiceti e funghi imperfetti, mal bianchi, agenti di
maculature fogliari, marciumi radicali, antracnosi, ruggini.
Dodina: impiegata contro ticchiolatura dei fruttiferi.
MECCANISMI D’AZIONE DEI FUNGICIDI:
• prodotti a meccanismo d’azione specifico o aspecifico
• prodotti fungicidi veri e propri o prodotti attivi attraverso
inibizione della sporificazione o della formazione di fattori di
patogenicità (es. laccasi, formazione appressorio, etc.) o attraverso
l’aumento della reattività della pianta ospite (es. fosetyl-Al).
Il meccanismo d’azione condiziona il rischio di selezionare ceppi resistenti
nella popolazione del patogeno.
Maggiore è la specificità
prodotto.
maggiore è il rischio di resistenza al
Meccanismi di resistenza:
•
•
•
•
ridotta permeabilità delle membrane cellulari
detossificazione del composto fungicida
mancata attivazione del composto
ridotta affinità tra sito d’azione e fungicida (es. benzimidazoli, attivi in
quanto l’acido benzimidazol carbammico presenta affinità per la βtubulina mancata dimerizzazioone α−β tubulina e mancata
formazione dei microtubuli
inibizione della mitosi; una
mutazione puntiforme è sufficiente a far perdere completamente di
affinità alla β-tubulina resistenza al prodotto)
• modificazione del metabolismo (pathways alternativi a quello inibito,
isoenzimi)
• compensazione dell’effetto inibitorio per aumento della biosintesi del
composto inibito
Strategie anti-resistenza: alternare composti a meccanismo d’azione
diverso; impiegare miscele di fungicidi con diverso meccanismo
d’azione; impiegare i prodotti con meccanismo più specifico (a più alto
rischio di resistenza) nei momenti di massima sensibilità della pianta e
solo quando necessario (es. ad infezione avvenuta).
In genere (non sempre) i prodotti sistemici sono quelli a meccanismo
d’azione più specifico e a maggior rischio di resistenza.
C C C S
S
CCCC
S1
S2 S3 S1 S2 S3 S1 S2 S3
PRINCIPI DI LOTTA INTEGRATA:
• importanza della conoscenza della biologia del patogeno e della
pianta ospite
• scelta accurata del materiale propagativo (sano, certificato, ove
possibile resistente al patogeno)
• scelta del sito di coltivazione
• preparazione del terreno
• drenaggio, eventuale fumigazione
• fertilizzazione bilanciata, irrigazione
• eliminazione dei focolai di infezione
• tecniche colturali (potatura, forme di allevamento,...)
• eliminazione dei residui
• trattamenti in riposo vegetativo per eliminare le forme svernanti
• lotta agli insetti vettori
• cura nella raccolta
• condizioni adeguate di conservazione del prodotto
• protezione chimica delle piante durante la coltivazione.