Fondamenti di Patologia vegetale

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1 Fondamenti di Patologia vegetale Quirico Migheli Tel ; Fax ;

2 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

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4 Estimated crop losses due to plant diseases, Region US$ in billion % of potential production Asia NIS North America Latin America Europe Africa Pinstrup-Andersen, 2001

5 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,...

6 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)

7 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.

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22 RUGGINI FOGLIARI

23 MAL BIANCHI

24 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.

25 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

26 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

27 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.

28 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.

29 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,...)

30 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.

31 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.

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36 Infezione attraverso gli idatodi

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42 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.

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45 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.

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49 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.

50 La pianta è una fortezza sotto assedio...

51 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 PER 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 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,...

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53 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.

54 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).

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57 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.

58 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.

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60 Cochliobolus heterostrophus su Zea mais

61 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,...

62 Crinipellis perniciosa su cacao

63 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,...

64 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.

65 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.

66 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.

67 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..

68 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.

69 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.

70 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.

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72 MECCANISMI DI DIFESA DELLE PIANTE CONTRO I FITOPATOGENI 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.

73 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,...

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75 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).

76 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.

77 RESISTENZA DELLE PIANTE e GENETICA DELLA PATOGENICITA 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!

78 il livello di resistenza genetica può variare a seconda del patosistema

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82 Resistenza genetica dell orzo a Puccinia hordei

83 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

84 R + A r + A R + a r + a

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86 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.

87 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

88 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

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92 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.

93 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).

94 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.

95 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.

96 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

97 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: temperatura, umidità, luminosità, ph, sali minerali, UOMO come quinta componente: scelta della coltura, scelta del sito, scelta delle condizioni colturali, operazioni colturali, vettore di nuovi parassiti,

98 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.

99 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.

100

101 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)

102

103 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).

104 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: gravità (%) a b c settimane dalla semina

105 Esempio 2: patogeno policiclico (es. Plasmopara viticola): gravità (%) settimane dalla semina

106 Esempio 3: patogeno policiclico bimodale (es. Monilia sp. su pesco): colpisce gemme e frutti in tempi diversi nella stagione: gravità (%) settimane dall'apertura delle gemme

107 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.

108 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): x t = x 0 (1+ r t ) MALATTIE POLICICLICHE (A INTERESSE COMPOSTO): x t = x 0. e r1t dove x t = quantità di malattia al tempo t dove x 0 = quantità di malattia al tempo 0 r 1 = tasso di infezione esponenziale r t = 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).

109 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,...).

110 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.

111

112 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

113 X

114 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

115 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)

116 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.

117 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

118 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.

119 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).

120 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.

121 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.

122 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.

123 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 +

124 La lotta biologica l impiego di qualsiasi organismo vivente (escluso l uomo) per il contenimento dell attività parassitaria di un fitopatogeno Cook & Baker, 1983

125 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

126 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

127 Meccanismi d azione degli antagonisti competizione antibiosi predazione iperparassitismo ipovirulenza induzione di resistenza

128 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

129 COMPETIZIONE per lo spazio (nicchia ecologica) per le sostanze nutritizie per fattori presenti in quantità limitata (acqua, ferro, aminoacidi essenziali)

130 F1 3C1-b M25 Test Cellule vive Autoclavate Filtrato 140 3C1-b F1 M

131 Lotta biologica in post-raccolta Competizione tra lievito e Penicillium per l azoto M25 3C-1b F1 Test Yeast + KNO3 Yeast + Mg(NO3)2 Yeast + Ca(NO3)2 Yeast + NaNO3 Yeast + NH4NO3 Yeast

132 ANTIBIOSI ruolo non sempre ben chiarito degradabilità degli antibiotici in sistemi naturali problematiche d'ordine igienico- sanitario Pseudomonas spp., Bacillus spp. Attinomiceti, T. virens

133 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

134 Cryphonectria parasitica ceppi ipovirulenti

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