LE FUNZIONI DELLE MICORRIZE NELLA RIZOSFERA. Manuela Giovannetti

Transcript

1 LE FUNZIONI DELLE MICORRIZE NELLA RIZOSFERA Manuela Giovannetti Dipartimento di Biologia delle Piante Agrarie Università di Pisa Via del Borghetto 8, Pisa

2 Sappiamo più dei movimenti dei corpi celesti che della terra sotto i nostri piedi Leonardo da Vinci

3 Le micorrize, simbiosi tra funghi e piante Le micorrize sono associazioni simbiontiche mutualistiche prodotte dalla associazione tra funghi che vivono nel terreno e la maggior parte delle piante terrestri, circa il 9%: queste simbiosi coinvolgono circa 6 specie di funghi e 24. specie vegetali In natura il 9% delle piante non possiede radici, ma MICORRIZE

4 Tipo di micorriza Pianta ospite Fungo simbionte Ectomicorrize Piante forestali perenni e ad alto fusto, quali abete, pino, faggio, castagno, quercia. Circa 5 specie di funghi appartenenti a 25 famiglie di Basidiomiceti (Amanita, Boletus, Laccaria, Russula), 7 famiglie di Ascomiceti (Tuber) e 1 genere di Ecto-endomicorrize Endomicorrize Ericoidi Endomicorrize delle Orchidee Endomicorrize Arbuscolari Piante che ospitano ectomicorrize (pino e larice), specie di Ericales (Arbutus, Arctostaphylos), generi Monotropa e Pyrola. Specie appartenenti alle Ericales che vivono in terreni acidi e brughiere, come mirtillo, erica, calluna, rododendro. Tutte le specie di orchidee. Briofite, Pteridofite, Gimnosperme e la maggior parte delle Angiosperme (circa l 8% delle specie) Zigomiceti (Endogone) Ascomiceti e Basidiomiceti, alcuni dei quali formano ectomicorrize (Boletus, Laccaria). Due specie di Ascomiceti, Hymenoscyphus ericae e Oiodendron maius. 8 generi di Basidiomiceti, riferiti a Rhizoctonia. Circa 15 specie del phylum Glomeromycota

5 Le micorrize sono distribuite in tutti gli ecosistemi vegetali

6 L interazione tra pianta e fungo è MUTUALISTICA I funghi ricevono gli zuccheri che sono incapaci di sintetizzare e le piante ricevono nutrienti minerali assorbiti dal terreno attraverso la vasta rete miceliare extraradicale Le piante micorrizate presentano un maggiore tasso di crescita ed un elevata tolleranza agli stress biotici ed abiotici, così da garantire un benessere generale maggiore rispetto alle piante prive di simbionti

7 LE MICORRIZE ARBUSCOLARI hanno una distribuzione universale e si trovano in circa l 8% delle specie vegetali conosciute. E più facile elencare le famiglie di piante in cui non si conosce siano presenti piuttosto che compilare una lista di famiglie in cui esse sono state trovate Gerdemann (1968) Distribuzione dei vari tipi di micorrize nel bioma mediterraneo 19% 13% 68% Arbuscolari Non micorriziche Altri tipi di micorrize

8 ARBUSCOLI: tipiche forme che l ifa assume, all interno della radice a seguito della ramificazione dicotomica dell ifa stessa che progressivamente riduce il proprio diametro

9 Vescicole: strutture simili alle spore formate dentro il cortex radicale, in genere intercellularmente, contenenti globuli lipidici e per questo motivo considerate organi di riserva. Il MICELIO EXTRARADICALE: MICELIO EXTRARADICALE: presente nel suolo e costituito da un ampia rete di ife. Struttura chiave per l assorbimento dei nutrienti.

10 Il micelio micorrizico extraradicale -Garantisce la traslocazione di zuccheri dalla pianta alfungo e di elementi nutritivi dal fungo alla pianta. - Migliora la struttura del terreno aggregando le particelle di suolo - Sostiene un attiva micoflora batterica (Micorrizosfera) - Crea una comunicazione fisica e nutrizionale tra gli individui della comunità vegetale In natura nel suolo di certe praterie può raggiungere i 5 m /cm 3 con una biomassa fino a.5mg/g di suolo (Lutgen et al., 23).

11 Il micelio micorrizico extraradicale che connette piante diverse e ridistribuisce le risorse all interno della comunità vegetale è stato definito dalla rivista Nature wood wide web

12 Benefici della simbiosi micorrizica sulla pianta Maggiore efficienza nell assorbimento del fosforo dal terreno Maggiore assorbimento di microelementi quali: Cu, Zn, K, Ca Maggiore selettività nell assorbimento dal suolo di Fe, Na, Cl Maggiore capacità di suzione dell acqua dal suolo e migliore sua traslocazione all interno della pianta Maggiore tolleranza ai patogeni e parassiti sia della parte aerea che di quella radicale Maggiore resistenza a stress abiotici quali: alte temperature, stress idrici e salini, acidità del terreno e alla presenza di metalli pesanti I funghi micorrizici, fondamentali per la nutrizione delle piante e per l approvvigionamento di acqua, sono a rischio di estinzione nei terreni coltivati.

13 La diversità dei funghi AM è un importante fattore che contribuisce al mantenimento della biodiversità vegetale ed alla funzionalità dell ecosistema. Nature, 396, 69-72, 1998.

14 Differenti specie di funghi micorrizici alterano la struttura della comunità vegetale 75 total biomass (a).75 Hieracium pilosella (d) NM AMF 1 AMF 2 AMF 3 AMF 4 h all 1.5 Lotus corniculatus (g) 4.5 Sanguisorba officinalis(j) all NM AMF 1 AMF 2 AMF 3 AMF 4 h NM Bromus erectus (b) AMF 1 AMF 2 AMF 3 AMF 4 all Prunella vulgaris (e) NM AMF 1 AMF 2 AMF 3 AMF 4 all Trifolium pratense (h) Prunella grandiflora (k) 4 h 4 h 2 1 Biomass 2 (g) Biomass 2 (g) Biomass 1 (g) Biomass.5 (g) Festuca ovina (c) 15 1 NM Data cricket div exp +NM Carex flacca (f) AMF 1 AMF 2 AMF 3 AMF 4 h all 6 4 Brachypodium NM pinnatum all AMF 1 AMF 2 AMF 3 AMF (i) 4 h.5 Centaurium erythrea(l) A B C D A+B+C+D A B C D A+B+C+D A B C D A+B+C+D A B C D A+B+C+D AMF species AMF species AMF species AMF species Van der Heijden et al. (1998). Nature 396: 69-72

15 La diversità dei funghi micorrizici determina la diversità vegetale e le funzioni dell ecosistema soil) Simpson's 2diversity 4 index ) Shoot 7 biomass (g m AMF species Hyphal 2 length (m g soil) Soil P (mg kg Van der Heijden et al. (1998). Nature 396: 69-72

16 Metodo per la moltiplicazione massiva di inoculi di funghi micorrizici arbuscolari, attraverso l uso di piante trappola e colture madri controllate.

17 LE COLLEZIONI INTERNAZIONALI DI FUNGHI MICORRIZICI INVAM: INternational culture collection of (Vesicular) Arbuscular Mycorrhizal fungi MISSION:To acquire, propagate, characterize, and maintain germplasm of arbuscular mycorrhizal fungi in living cultures for preservation and distribution to any person or institution MISSION: To enhance, through worldwide collaboration, efficiency of research into the conservation and biodiversity of arbuscular mycorrhizal fungi, given their critical role in the survival of plants in most global ecosystems.

18 BIODIVERSITA FUNZIONALE DEI FUNGHI MICORRIZICI ARBUSCOLARI: SELEZIONE DI ISOLATI INFETTIVI ED EFFICIENTI I due CARATTERI FONDAMENTALI che devono essere considerati quando si selezionano endofiti AM per uso agrario sono: INFETTIVITA l abilità dell isolato fungino di stabilire rapidamente un estesa infezione micorrizica nelle radici della pianta ospite. EFFICIENZA misurata in genere in termini di risposta di crescita dell ospite, anche se molti fattori contribuiscono a determinare la loro performance simbiontica.

19 Infettivita è l abilità di un isolato fungino a stabilire un estesa infezione micorrizica nelle radici. della pianta ospite. I parametri da considerare sono: dormienza delle spore germinazione delle spore crescita pre-simbiotica riconoscimento dell ospite e formazione degli appressori crescita intraradicale dei funghi simbionti

20 Efficienza è l abilità di un isolato fungino a migliorare lo stato nutrizionale della pianta ospite, ed in generale ad apportare benefici all ospite, anche. in termini di tolleranza agli stress biotici ed abiotici. I parametri da considerare sono: Capacità del fungo di sviluppare grandi reti ifali extraradicali Formazione di anastomosi Tasso di assorbimento dei nutrienti da parte delle ife Traslocazione e il trasferimento alle cellule dell ospite attraverso gli appressori Vitalità del micelio extraradicale

21 Crescita extraradicale dei funghi micorrizici arbuscolari Fungal species Mycelial length References (m/g soil) Acaulospora laevis Jakobsen et al., 1992 Gigaspora rosea 4.8 Schreiner et al., 1997 Glomus caledonium 3 5 Smith et al., 2 Glomus etunicatum 3.3 Schreiner et al., 1997 Glomus mosseae 8.1 Giovannetti et al., 1998 Scutellospora calospora 9 1 Smith et al., 2

22 Allium porrum Plant species Thymus vulgaris Prunus cerasifera Growth area of extraradical mycelium (mm 2 ) Extraradical hyphal length per plant root system (mm/mm) 2755 ± ± ± ± ± ± 1.7

23 Le pratiche agronomiche esercitano una forte pressione selettiva sulla comunità fungina. Confronto tra due tecniche di Lavorazione del terreno: -Aratura convenzionale -Non lavorazione In un avvicendamento biennale SOIA-FRUMENTO TENERO sodo arato E stato misurato l indice di micorrizazione: cioè la presenza e la consistenza di propaguli infettivi nel terreno in esame, attraverso la determinazione del la percentuale di lunghezza radicale colonizzata nella coltura in atto, la soia.

24 Per valutare l infettività del terreno in esame, nei due diversi trattamenti, si è seguito nel tempo lo sviluppo dell infezione micorrizica dovuta ad endofiti arbuscolari naturali, in piante di T. alexandrinum. 1,6 1,4 1,2 1,8,6 radice,4,2 Sodo Numero di entry points/cm di Arato

25 Per studiare la comunità fungina presente nel terreno in esame sono stati isolati i funghi AM utilizzando, secondo il metodo delle piantetrappola, specie micotrofiche (quali Trifolium alexandrinum) così da ottenere infezione e sporificazione da parte degli endofiti naturali Le spore prodotte mostrano caratteristiche morfologiche differenti. Per questo sono state selezionate in base al colore ed alle dimensioni e successivamente caratterizzate dal punto di vista molecolare

26 Table 1. Extent, structure and interconnectedness of extraradical mycelium (ERM) produced by four geographical isolates of the arbuscular mycorrhizal fungal species Glomus mosseae (IMA1 and AZ225) and Glomus intraradices (IMA6 and IMA5) in symbiosis with Medicago sativa. AZ2 25C IMA 1 IMA5 IMA6 Total hyphal length (m) a a a b Area covered by ERM (mm 2 ) a a a b 728. b Hyphal length per root length (mm mm -1 ) Hyphal length per colonized root length (mm mm -1 ) Hyphal density (mm mm -2 ) 3.81 a 5.22 a 9.42 a b a a a 3.36 b 2.5 a 3.7 b 3.99 b 5.74 c No. of anastomoses.77 a 1.11 a 3.82 b 3.47 b mm -2 No. of anastomoses mm -1 of hyphal length No. of anastomoses per hyphal contact (%).28 a.29 a.82 b.61 b 29.7 a 46.3 a b 47. a b 66.6 b

27 Shoot N and P concentration at first and second harvest in Medicago sativa plants inoculated with four geographical isolates of the arbuscular mycorrhizal fungal species Glomus mosseae (IMA1 and AZ225) and Glomus intraradices (IMA6 and IMA5) or not inoculated (NM). Values are means and SE of means of five replicate pots of each treatment. 1 st harvest Shoot P Concentration (%) Shoot N Concentration (%) NM.12 ± ±.3 IMA1.16 ± ±.5 2 nd harvest AZ225 C IMA6- DJ IMA5- OP.21 ± ± ± ±.6.19 ±. 3.5 ±.3 NM.18 ± ±.4 IMA1.21 ± ±.13 AZ225 C IMA6- DJ IMA5- OP.24 ± ±.1.26 ± ± ± ±.12

28 Hyphal length per colonized root length Anastomosis density Shoot P Shoot P % Total hyphal length Anastomosis frequency Shoot dry weight a Area covered by ERM Hyphal density b Regrowth, # stems Shoot N % (a) Diagramma che rappresenta sei variabili relative al micelio extraradicale, utilizzate per la valutazione di isolati geografici diversi di Glomus mosseae (IMA1, linea rosa; AZ225C, linea rossa) e Glomus intraradices (IMA6, linea blu; IMA5, linea blu chiaro). (b) Diagramma delle variabili relative ai responsi di crescita di Medicago sativa a isolati geografici diversi di Glomus mosseae e Glomus intraradices. Shoot N