Resistenza delle piante ai patogeni

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1 Resistenza (1)

2 Il numero di specie presenti sulla terra è difficile da calcolare: a seconda degli approcci utilizzati per il calcolo le stime vanno da 3 a 30 milioni fino a 100 milioni. specie descritte (stima) specie esistenti Piante Microbi Batteri Funghi Considerando il numero di possibili interazioni tra specie di piante e di microrganismi fitopatogeni (12 12 ) e il numero di fitopatie riscontrate ( ca) risulta chiaro che la malattia è un evento eccezionale!

3 Le piante si sono coevolute con i patogeni e i fitofagi per centinaia di milioni di anni. Non dobbiamo perciò sorprenderci se ogni pianta è resistente alla maggior parte di essi. N.T. Keen, 1992 Resistenza delle piante ai patogeni

4 Le piante sono continuamente esposte a microrganismi patogeni, insetti e nematodi ecc. Tuttavia, la maggior parte di esse rimane sana per gran parte della vita Esistono meccanismi altamente efficienti per prevenire il parassitismo e la predazione, o almeno limitarne i danni Tali meccanismi sono sotto controllo genico quindi, una volta individuati i geni, è ragionevole sperare che essi possano essere trasferiti ad altre specie

5 Le piante non si ammalano perché: Resistenza del NON OSPITE: la pianta non viene riconosciuta dal patogeno, oppure non soddisfa le sue esigenze nutrizionali, oppure possiede barriere fisiche e chimiche preformate che impediscono l infezione (La pianta non è suscettibile) Resistenza dell OSPITE o INCOMPATIBILITA DI BASE: la pianta ha dei «sensori» che le permettono di riconoscere l attacco del patogeno e attivare dei sistemi di difesa (fisici e/o biochimici) che bloccano l infezione. La pianta è suscettibile al patogeno (c è COMPATIBILITA DI BASE) ma sfugge all infezione perché le condizioni ambientali sono sfavorevoli al patogeno. In tutti gli altri casi le piante possono ammalarsi

6 Definizioni fondamentali Secondo l American Phytopathological Society Resistenza è la capacità di una pianta ospite di annullare o ridurre l attività di un patogeno. Suscettibilità è l incapacità di una pianta ospite a difendersi contro o a superare gli effetti dell invasione di un patogeno. Tolleranza è la capacità di un organismo di sopportare l azione o l invasione di un patogeno senza o quasi reazione, come dimostrato dall assenza completa o quasi di sintomi e danno. Immunità è l essere esente da malattia.

7 Altre definizioni Resistenza del non ospite: è la resistenza che la maggior parte delle specie vegetali dimostrano nei confronti della maggior parte dei patogeni in quanto questi ultimi non hanno gli strumenti adatti ad attaccare quelle determinate specie vegetali o la pianta li riconosce immediatamente e li neutralizza. Manca la condizione di compatibilità di base. Resistenza apparente o Sfuggita (= Disease escape) è il fenomeno per il quale una pianta suscettibile non si ammala a causa della separazione, nel tempo e nello spazio, dei tessuti suscettibili della pianta e delle unità infettive del patogeno.

8 Altre definizioni Patodemo: è una popolazione, nell ambito di una specie di piante, caratterizzata dallo stesso spettro di resistenza o suscettibilità Patotipo (o razza fisiologica): è una popolazione, nell ambito della specie di un patogeno, in cui tutti gli individui sono caratterizzati dalla stessa attitudine patogenetica Patosistema: è la parte di un ecosistema caratterizzata dal patosismo (pianta ospite e suoi patogeni) che può essere naturale (se riguarda le piante spontanee) o artificiale ( se riguarda le coltivazioni impiantate dall uomo) Variabilità genetica delle piante e dei patogeni

9 Tipi di resistenza 1 resistenza costituzionale e non costituzionale; 2 resistenza verticale o qualitativa; 3 resistenza orizzontale o quantitativa; 4 resistenza d interazione; 5 resistenza (meccanica e biochimica) pre e post- infezionale; 6 resistenza indotta; 7 SAR (Systemic Acquired Resistance) =Res. Sist. Acquisita.

10 Resistenza non costituzionale E la componente non ereditaria della resistenza poiché non dipende da fattori legati alla costituzione genetica della pianta o del patogeno e viene indicata con il termine di predisposizione. I principali fattori che la determinano sono: 1 situazioni ontogenetiche; 2 nutrizione minerale; 3 temperatura; 4 contenuto idrico della pianta; 5 luce; 6 ferite; 7 innesto; 8 precedenti infezioni.

11 Situazioni ontogenetiche 1 Giovinezza suscettibile vecchiaia resistente 1a crespino > basidiospore di Puccinia graminis; 1b grano > uredospore di P. graminis; 1c pesco alla bolla e all oidio; 1d piantine in semenzaio>pythium spp. 1e - vite a oidio 2 giovinezza resistente vecchiaia suscettibile 2a frutta > Rhizopus e Monilia; 2b pesco > Tranzschelia pruni-spinosae. 2c vite (grappolo) a botrite

12 Situazioni ontogenetiche 3 Giovinezza e vecchiaia suscettibili resistenza nella mezza eta 3a alcune cultivar di pesco alla ruggine; 3b tuberi di patata alla cancrena secca. 4 Giovinezza e vecchiaia resistenti suscettibilità nella mezza eta 4a tuberi di patata alla cancrena umida da Erwinia sp.

13 Nutrizione minerale Ruolo dell' azoto - Eccessi di azoto promuovono lo sviluppo dei tessuti parenchimatici a scapito dei tessuti di sostegno. Ne deriva una maggiore suscettibilità della pianta agli attacchi. Ruolo del fosforo - E' mutevole e dipende dalle situazioni Ruolo del potassio - Tende a conferire resistenza, ma non in tutti i casi Il CALCIO è l elemento che gioca il ruolo più importante nel determinismo della resistenza.

14 Temperatura Nella carie del grano da Tilletia le basse temperature mantengono più a lungo la pianta in uno stato di suscettibilità; Gli agrumi danneggiati dal freddo sono molto più suscettibili agli attacchi di Colletotrichum, Phomopsis, Dothiorella, Fusarium lateritium.

15 Contenuto idrico della pianta e del terreno

16 Contenuto idrico del terreno in % Periodo di incubazione in giorni Diametro medio delle macchie fogliari dopo 20 gg Comparsa di necrosi dopo giorni , , ,0 71 Influenza del contenuto idrico sull'attacco della cladosporiosi fogliare del pomodoro (var. Lucullo) (sec. Volk, 1931; Da Gaumann, 1951)

17 Luce Sia l intensità che la durata della radiazione luminosa influiscono sull espressione della resistenza: - Pomodoro e Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici; - Pomodoro e Cladosporium fulvum; - Orzo e Puccinia glumarum f. sp. hordei

18 Ferite La presenza di ferite è necessaria per l attacco di numerosi patogeni, incapaci di penetrare direttamente. Innesto Cv di melo resistenti al tumore batterico da Agrobacterium tumefaciens conferiscono resistenza al sottostante portainnesto, se questo è suscettibile.

19 Precedenti infezioni -Puccinia striiformis su grano attaccato da Tilletia tritici; -Oidio su pesco attaccato da bolla; -Botrite su grappolo d uva attaccato da oidio; la botrite, a sua volta, può aprire la strada al marciume acido. In alcuni casi una precedente infezione può proteggere la pianta da successivi attacchi dello stesso o di altri patogeni (protezione incrociata o cross protection): -Piante di cetriolo infette da oidio sono meno suscettibili all attacco del CMV; -Piante di patata infette da virus X o Y sono meno suscettibili alla peronospora; -Piante di cetriolo inoculate con TNV sono meno suscettibili all oidio.

20 Resistenza costituzionale E quella legata alle caratteristiche genetiche del soggetto. Si distingue in: Verticale e Orizzontale Questi due termini furono coniati da J.E. Vanderplank e derivano dal suo classico grafico che definisce i due tipi di resistenza dell ospite.

21 Resistenza verticale o qualitativa -Ha base monogenica o al massimo oligogenica. -Ogni gene contribuisce in maniera determinante alla resistenza (major gene) della cultivar (patodemo) -Si esplica contro una o alcune ma non contro tutte le razze (patotipi) del patogeno -Si manifesta, nella maggior parte dei casi, con la reazione di ipersensibilità, che deriva da un riconoscimento tra pianta e patogeno. -Non è durevole ma è facilmente trasferibile a causa della sua base monogenica.

22 Resistenza orizzontale o quantitativa -Ha base poligenica. -Ogni gene contribuisce in misura modesta alla resistenza (minor gene) della cultivar. -Si esplica contro tutte le razze fisiologiche del patogeno. -Di solito, non protegge la pianta dall infezione ma ne rallenta lo sviluppo. -È durevole ma difficilmente trasferibile a causa della sua base poligenica.

23 Peronospora della patata da Phytophthora infestans

24 Max Resistenza R1 (Cv Kennebek) Patodemo con gene di resistenza verticale R1 Min Razze (patotipi) del patogeno Il diagramma rappresenta una cv di patata (patodemo) che possiede il gene di resistenza verticale R1 al fungo P. infestans agente della peronospora della patata. Il livello di resistenza è misurato sull asse verticale delle y con il massimo all apice ed il minimo in basso. Le otto razze (patotipi) del fungo che sono possibili con tre geni di resistenza della patata (p.e. i geni 1, 2 e 3) sono riportati sotto l asse orizzontale. Queste comprendono una razza con nessun gene, tre razze con un solo gene, tre razze con due geni e una razza con tre geni. Questa cv è suscettibile a tutte le razze del patogeno che portano il gene 1 ed è resistente a tutte quelle ne sono prive.

25 Max R2 (Cv Maritta) Patodemo con gene di resistenza verticale R2 Resistenza Min Razze (Patotipo) del patogeno Questo secondo grafico rappresenta una cv di patata che ha il gene di resistenza verticale R2. Questa cv è suscettibile a tutte le razze del patogeno che portano il gene 2 ed è resistente a tutte le razze che non lo hanno.

26 Resistenza Resistenza Max R 1 Patodemo 1 Confrontando i due grafici, si nota che le differenze nella resistenza delle due cv (patodemi) sono parallele all asse verticale. Per tale motivo Vanderplank ha chiamato questo tipo di resistenza Min Max R 2 Patotipi (razze) del patogeno Patodemo 2 resistenza verticale Min Patotipi (razze) del patogeno

27 Razze di P. infestans definite sulla base dell impiego di 4 geni di resistenza verticale nel miglioramento genetico della patata

28 Necrosi (Blight) del pisello da Pseudomonas syringae pv pisi Si conoscono 6 razze del patogeno

29 Resistenza verticale o qualitativa -Ha base monogenica o al massimo oligogenica. -Ogni gene contribuisce in maniera determinante alla resistenza (major gene) della cultivar (patodemo) -Si esplica contro una o alcune ma non contro tutte le razze (patotipi) del patogeno -Si manifesta, nella maggior parte dei casi, con la reazione di ipersensibilità, che deriva da un riconoscimento tra pianta e patogeno. -Non è durevole ma è facilmente trasferibile a causa della sua base monogenica.

30 Genotipo patogeno Se consideriamo due piante geneticamente diverse, una con un gene di resistenza R e l altra con un gene di suscettibilità r, entrambe attaccate da due razze del patogeno, una con il gene di avirulenza Avr specifico per il gene di resistenza R e l altra con il gene di virulenza avr specifico per il gene di suscettibiltà r, le combinazioni e le reazioni possibili sono mostrate in Figura. Di tutte le quattro possibili combinazioni dei geni, solo quella in cui la pianta con un gene di resistenza R è infettata da un patogeno che ha il corrispondente gene di avirulenza Avr si traduce in uno stato di resistenza. Nelle altre tre combinazioni la pianta è suscettibile al quella razza di patogeno. Avr Avirulento dominante avr Virulento recessivo Genotipo ospite R Resistente dominante AvrR Resistenza avrr Malattia r suscettibile recessivo Avrr Malattia avrr Malattia

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32 Meccanismi Meccanismi di di funzionamentocame Meccanismi di attivazione e funzionamento della resistenza nelle piante PAMP Effettore

33 La PTI è la prima risposta attiva alla percezione del patogeno La PTI viene iniziata dopo il riconoscimento di strutture microbiche evolutivamente conservate da recettori superficiali delle cellule vegetali e la sua induzione è associata con il signalling MAP kinasico, l induzione trascrizionale di geni responsive all attacco patogenico, la produzione di ROS e la deposizione di callosio per rinforzare la parete cellulare nei siti d infezione La PTI

34 In this scheme, the ultimate amplitude of disease resistance or susceptibility is proportional to [PTI ETS + ETI]. -In phase 1, plants detect microbial/pathogen-associated molecular patterns (MAMPs/PAMPs, red diamonds) via PRRs (Pattern Recognition receptors) to trigger PAMP-triggered immunity (PTI). -In phase 2, successful pathogens deliver effectors that interfere with PTI, or otherwise enable pathogen nutrition and dispersal, resulting in effector-triggered susceptibility (ETS). -In phase 3, one effector (indicated in red) is recognized by an NB-LRR protein, activating effectortriggered immunity (ETI), an amplified version of PTI that often passes a threshold for induction of hypersensitive cell death (HR). -In phase 4, pathogen isolates are selected that have lost the red effector, and perhaps gained new effectors through horizontal gene flow (in blue) these can help pathogens to suppress ETI. Selection favours new plant NB-LRR alleles that can recognize one of the newly acquired effectors, resulting again in ETI.

35 Model for the evolution of bacterial resistance in plants. (a) Recognition of pathogen-associated molecular patterns (such as bacterial flagellin) by extracellular receptor-like kinases (RLKs) promptly triggers basal immunity, which includes signaling through MAP kinase cascades and transcriptional reprogramming mediated by plant WRKY transcription factors. (b) Pathogenic bacteria use the type III secretion system to deliver multiple effector proteins that target host proteins and suppress basal immune responses, allowing significant accumulation of bacteria in the plant apoplast. (c) Plant resistance proteins (R gene products, such as a TIR-NB-LRR protein) recognize effector activity and restore resistance through strong effector-triggered immune responses. (d ) Pathogen avoids R gene-mediated defenses by modifying or eliminating the effector(s) that triggers those defenses. This state resembles that shown in (b) except the pathogen has had to alter or lose an effector protein, or deploy an additional effector protein. Similar models can be drawn for other plant pathogens.

36 Teoria gene-per-gene di Flor Esistono sistemi genici complementari nelle piante e nei loro patogeni: Per ogni gene di un patogeno che conferisce (a)virulenza esiste, nella pianta, un gene corrispondente che conferisce resistenza.

37 Tracheofusariosi del melone

38 Geni di resistenza Cv di melone (patodemi) Razze di Fusarium oxysporum f. sp. melonis (patotipi) R 0 R 1 R 2 R 1,2 Nessuno (0) S S S S Fom 1 R S R S Fom 2 R R S S Fom 1 + Fom 2 R R R S Poligenica (orizzontale) T T T T

39 Resistenza orizzontale o quantitativa -Ha base poligenica. -Ogni gene contribuisce in misura modesta alla resistenza (minor gene) della cultivar. -Si esplica contro tutte le razze fisiologiche del patogeno. -Di solito, non protegge la pianta dall infezione ma ne rallenta lo sviluppo. -È durevole ma difficilmente trasferibile a causa della sua base poligenica.

40 Max Resistenza A B CVS di patata (patodemi) Min C Razze (patotipi) del patogeno Questo grafico rappresenta tre cvs (patodemi) di patate che non hanno alcun gene di resistenza verticale. Di conseguenza esse sono suscettibili a tutte le razze (patotipi) del patogeno (Phytophthora infestans). Tuttavia la cv A è meno suscettibile (più resistente) della cv B, che è più resistente della cv C. Le differenze in questo tipo di resistenza sono parallele all asse orizzontale delle X e ciò ha suggerito a Vanderplank di chiamarla resistenza orizzontale.

41 Bolla del pesco da Taphrina deformans Non si conoscono geni di resistenza verticale alla Taphrina

42 Resistenza d interazione Nella coltivazione di più genotipi di una stessa pianta si manifesta un livello di malattia inferiore alla somma dei livelli di malattia o di danno degli stessi genotipi coltivati separatamente. Le cause della resistenza d interazione dimostrate sono tre: 1 la minore densità spaziale dei genotipi suscettibili; 2 l effetto barriera delle piante resistenti alla diffusione della infezione tra piante suscettibili; 3 i tentativi di infezione sulle piante resistenti determinano in queste uno stato di resistenza indotta (ISR) per mezzo della quale le piante divengono più pronte a reagire efficacemente contro tentativi d infezione dello stesso o di altri patogeni