Corso di Virologia: Biocontrollo

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1 Corso di Virologia: Biocontrollo

2 Cos'è il Biocontrollo Si definisce biocontrollo la soppressione di un patogeno mediata da organismi già presenti o introdotti nell'ospite. Così come l'infezione, anche il biocontrollo può essere attuato in campo, o in post-raccolta.

3 Perché fare biocontrollo? Il biocontrollo offre numerosi vantaggi... Minimizza gli effetti negativi sull'operatore e l'ambiente Supporta le strategie di controllo già esistenti Può presentare una valida alternativa ai prodotti fitosanitari (vantaggio ecologico ed economico) Può controllare malattie per le quali i metodi tradizionali non sono efficaci Metodo di lotta robusto perché basato sull'interazione complessa di più organismi

4 Perché NON fare biocontrollo? e presenta numerose complicazioni. Difficile prevedere e valutare l'efficacia degli agenti di biocontrollo nelle condizioni di impiego Scarsa conoscenza dei meccanismi di difesa indotti dagli agenti di biocontrollo Difficoltà di formulazione (specialmente Gram-) Deve rimanere efficace in condizioni ambientali e di stoccaggio molto diverse.

5 Gli agenti di biocontrollo Gli organismi in grado di controllare i patogeni vegetali sono per lo più microorganismi associati alle piante: endofiti ed epifiti. In particolare, le classi più studiate: PGPR Plant Growth Promoting Rhizobacteria PGPB Plant Growth Promoting Bacteria BCF Biocontrol Fungi

6 Endofiti Si definiscono endofiti tutti gli organismi funghi, batteri, o attinomiceti - che sono in grado di vivere all'interno dei tessuti vegetali senza causare la comparsa di sintomi sull'ospite. Per i batteri endofiti si distinguono: Endofiti competenti Endofiti obbligati Endofiti facoltativi Endofiti opportunisti Endofiti passeggeri

7 Endofiti Competenti Endofiti competenti Microorganismi che hanno colonizzato con successo la pianta mediante penetrazione attiva nei tessuti della pianta e che sono in grado di modulare la fisiologia della pianta portando ad una interazione pianta-microorganismo favorevole. Endofiti obbligati Endofiti facoltativi Endofiti opportunisti Endofiti passeggeri

8 Endofiti Obbligati Endofiti competenti Endofiti obbligati microorganismi che sono obbligati a vivere all'interno della pianta per tutta la loro esistenza, in quanto non sono in grado di avere una vita autonoma all'esterno, eccetto per la trasmissione piantapianta, o pianta-insetto-pianta Endofiti facoltativi Endofiti opportunisti Endofiti passeggeri

9 Endofiti Facoltativi Endofiti competenti Endofiti obbligati Endofiti facoltativi microorganismi che possono vivere all'interno della pianta, oppure in altri ambienti. Endofiti opportunisti Endofiti passeggeri

10 Endofiti Opportunisti Endofiti competenti Endofiti obbligati Endofiti facoltativi Endofiti opportunisti microorganismi che entrano occasionalmente in pianta e beneficiano di un ambiente favorevole Endofiti passeggeri

11 Endofiti Passeggeri Endofiti competenti Endofiti obbligati Endofiti facoltativi Endofiti opportunisti Endofiti passeggeri microorganismi che entrano per caso in pianta e, in assenza di forze selettive, si moltiplicano

12 Biocontrollo vs. Plant Growth Promotion I due meccanismi, spesso citati insieme, sono però separati e distinti. Plant Growth Promotion si applica a microorganismi che contribuiscono direttamente al benessere della pianta (resistenza a stress, migliore nutrizione, etc...) Il biocontrollo può contribuire al benessere della pianta, ma solo nel caso in cui questa sia soggetta all'attacco del patogeno. In altri casi, l'effetto può anche essere negativo o neutro.

13 Biocontrollo vs. Plant Growth Promotion In generale, il biocontrollo è uno dei meccanismi di PGP

14 I meccanismi di azione del biocontrollo L'azione di biocontrollo si svolge secondo due meccanismi principali distinti, ma spesso sinergici: Antagonismo diretto: Antagonismo indiretto: Competizione per una nicchia ecologica Produzione di inibitori allelochimici Effetto mediato tramite interazione con l'ospite (induzione delle resistenze dell'ospite)

15 Allelochimici Gli allelochimici sono molecole del metabolismo secondario i cui effetti si esprimono in un altro organismo. Nel caso del biocontrollo si parla per lo più di allelochimici che mediano allelopatia negativa, quali: Antibiotici Enzimi litici Siderofori Degradazione dei fattori di virulenza del patogeno Interferenza Quorum Sensing

16 Le strategie di biocontrollo L'applicazione di agenti di biocontrollo segue due strategie principali: Augmentative: strategia nella quale l'antagonista è introdotto in concentrazioni e frequenze tali da permetterne la riproduzione e stabilità Inundative: strategia nella quale l'antagonista è introdotto in maniera massale, ottenendo il controllo del patogeno senza curarsi della sua riproduzione dopo il trattamento (come se fosse un fitofarmaco)

17 I principali batteri utilizzati Bacillus B. licheniformis, B. pumilus, B. subtilis, B. thuringiensis. Contro Rhizoctonia, Fusarium, Erwinia, oidio, piralide. Pseudomonas P. fluorescens, P. syringae. Contro Botrytis cinerea, Mucor pyriformis, Penicillium. Methylobacterium M. mesophilicum. Contro Xanthomonas campestris, Eriwinia carotovora, Agrobacterium tumefaciens. Paenibacillus P. polymixa. Contro Fusarium oxysporum, Phytophtora. Pantoea P. agglomerans. Contro Rhyzopus stolonifer, e altri funghi.

18 Biocontrollo su un oomicete: Paenibacillus polymixa Studio condotto su A. thaliana. In questo caso, non è stato indagato il meccanismo di azione, solo l'effetto del batterio su Phytophtora palmivora e Phytium aphanidermatum, sia in vitro che in vivo.

19 Biocontrollo su un oomicete: Paenibacillus polymixa

20 Biocontrollo su un batterio: Paenibacillus polymixa Studio condotto su A. thaliana, contro E. carotovora

21 Altri effetti benefici: Paenibacillus polymixa

22 Paenibacillus polymixa: non sempre benefico

23 Paenibacillus polymixa: non sempre benefico

24 Paenibacillus polymixa: non sempre benefico? Come si è visto, un batterio dal comportamento di PGP e biocontrollo, può rivelarsi anche nocivo per l'ospite. La spiegazione di questo comportamento non è semplice, ma le ipotesi sono: I batteri patogeni e endofiti necessitano di strategie e meccanismi simili. In alcuni casi l'espressione di questi tratti può dare adito ad uno stile di vita patogenico anche per endofiti; Lo stimolo delle reazioni allo stress della pianta viene dato tramite un'azione dannosa. Per essere efficaci nell'escludere i patogeni dalla loro nicchia, i batteri devono colonizzare i siti di infezione, in maniera simile a come lo fanno i patogeni.

25 Antagonismo diretto: produzione di antibiotici Le pantocine, prodotte da P. agglomerans, controllano direttamente la crescita di E. amylovora in vitro.

26 Antagonismo diretto: produzione di VOC Le Volatile Organic Substances (VOC) sono fondamentali in diversi meccanismi di biocontrollo, e possono svolgere diverse funzioni: Azione di antibiotico (es. DMDS) Interferenza con il Quorum Sensing (es. Terpeni) Ruolo di semiochimici Induzione di comportamenti diversi nel patogeno Induzione di comportamenti diversi nell'ospite (Induzione di resistenza)

27 Il fenomeno della resistenza

28 Il fenomeno della resistenza PTI: PAMP-Triggered Immunity. Fenomeno in cui l'infezione batterica viene fermata prima che inizi la colonizzazione dei tessuti. Caratterizzata da modifiche strutturali (callosio, lignina) e produzione di metaboliti antimicrobici (fitoalessine, PR) ETI: Effector-Triggered Immunity. Fenomeno in cui l'infezione batterica viene percepita a livello molecolare intracellulare. Inoltre ai meccanismi della PTI, usa anche burst ossidativo e risposta di ipersensibilità (HR).

29 La resistenza sistemica acquisita Inoltre, la pianta può comunicare a zone distali la presenza di un'infezione, causando un fenomeno chiamato Systemic Acquired Resistance, caratterizzato da una lunga durata e la resistenza contro diverse classi di patogeni. Mediata da acido salicilico Può essere indotta chimicamente (BTH) Usa molte risorse delle piante (riduzione della crescita) Basse concentrazioni di SA causano un 'priming'

30 La resistenza sistemica indotta La ISR è molto simile alla SAR nei suoi effetti, ma viene indotta dall'esposizione a batteri non-patogeni. Mediata da acido jasmonico ed etilene Spesso associata a PGPB il costo metabolico viene ammortizzato dallo stimolo alla crescita Può essere indotta preventivamente con inoculo batterico Agisce come 'priming'

31 La resistenza sistemica

32 Il priming

33 Induzione di resistenza La possibilità di indurre resistenza è molto utile in ambito agrario in quanto: Previene il danno, anziché agire dopo i primi sintomi Meno influenzata da condizioni ambientali Agisce contro diversi patogeni allo stesso tempo Efficace anche contro patogeni difficilmente contrastabili in altri modi (virus, fitoplasmi)

34 Resistenza ad un virus: BBTV Banana Bunchy Top: Principale malattia della banana, causata dal nanovirus BBTV, trasmessa dal vettore Pentalonia nigronervosa. Metodi di lotta: Trattamenti chimici contro il vettore Propagazione di materiale sano

35 Resistenza ad un virus: BBTV Caratterizzazione della microflora di piante di banano sane. Applicazione mediante spray fogliare di miscele di Pseudomonas e Bacillus Analisi dell'attività di enzimi chiave dell'induzione di resistenza in pianta

36 Controllo dei fitoplasmi I fitoplasmi possono essere contrastati in diversi modi: Tetracicline: hanno però un effetto scarso sul lungo periodo Terpeni: causano remissione dei sintomi Acido 3-Indol butirico (IBA): applicate alle piante infette causa la remissione dei sintomi e sono risultate negative al saggio PCR Termoterapia

37 Lotta contro i fitoplasmi Lotta al vettore: buone possibilità di contenimento della malattia Ricerca di genotipi resistenti Induzione di recovery

38 Lotta contro i fitoplasmi Lotta al vettore: buone possibilità di contenimento della malattia Ricerca di genotipi resistenti Induzione di recovery Recovery: Fenomeno di remissione spontanea dei sintomi, legato anche alla riduzione del titolo o scomparsa del fitoplasma dalla pianta precedentemente infetta. Le piante che 'guariscono' dalla malattia sembrano mantenere una memoria dell'evento che le rende più resistenti a successive infezioni.

39 La memoria del recovery Le piante mantengono una memoria dell'evento dell'infezione, questo può essere legato a: Pattern di metilazione dei geni Flora microbica Abbiamo analizzato la variazione del microbioma in piante sane, infette, o recovered.

40 Batteri associati al recovery Le comunità batteriche sono risultate essere diverse in sane, infette, e recovered. Alcuni ceppi batterici sono risultati essere associati unicamente allo stato sanitario di recovery. Questi ceppi, interessanti in quanto possibilmente legati al fenomeno stesso, sono attualmente in via di caratterizzazione per la loro azione di biocontrollo, sia in vitro che in vivo.

41 Batteri associati al recovery Tutti i batteri sono stati saggiati per il loro potenziale PGPB (siderofori, solubilizzazione potassio, produzione IAA, etc...) Sono pianificati saggi diretti su piante infette da fitoplasmi... ma al momento stiamo saggiando la capacità dei batteri di effettuare biocontrollo su un diverso tipo di patogeno: dei funghi.

42 Biocontrollo in vitro su Botrytis cinerea

43 Biocontrollo in vivo su Botrytis cinerea