La rizosfera Le radici delle piante formano, grazie ai loro essudati, un microambiente particolarmente ricco di sostanze organiche Rizosfera Nella rizosfera prolifera un microbiota composto da batteri e funghi che stabiliscono con la pianta interazioni antagonistiche e mutualistiche
I funghi della rizosfera Funghi saprotrofi Endofiti radicali es. Funghi micorrizici Funghi saprotrofi della rizosfera Funghi saprotrofi isolati in coltura - decomposizione delle sostanze organiche - solubilizzazione degli elementi minerali - attività di biocontrollo nei confronti dei fitopatogeni (es. Fusarium e i suoli soppressivi, Trichoderma harzianum)
Le principali simbiosi radicali Noduli radicali Alcune Angiosperme (es. Leguminose) Micorrize Quasi tutte le piante terrestri Fungo nella radice Batteri azotofissatori riducono l azoto atmosferico all interno di organi formati dalla radice L estesa superficie del micelio facilita l assorbimento di acqua e nutrienti
Nutrienti minerali Ruoli principali della simbiosi micorrizica Carboidrati Per la pianta Nutrizione minerale (P, N) Protezione da patogeni Biodiversità Tolleranza ai metalli Effetto crescita Per il fungo Apporto di carbonio organico Completamento del ciclo vitale non micorrizate micorrizate
Effetti positivi anche sulla stabilità e tessitura del suolo
Esistono diversi tipi di micorrize Endomicorrize Ectomicorriza con Arbuscoli Con Gomitoli Micorriza arbuscolare Micorrize ericoidi e delle Orchidee
Fungo AM Micorrize arbuscolari (AM) Interessa ~ 240.000 specie vegetali Circa l 85% delle piante terrestri radice Non è nota una fase sessuale del fungo AM I funghi AM sono biotrofi obbligati Spore multinucleate (2000-3000 nuclei) Phylum Glomeromycota (~150 specie)
Le micorrize arbuscolari sono molto antiche: ritrovate nei fossili delle prime piante terrestri Rizoma fossile di Rhynia 350 Milioni d anni Radice attuale colonizzata da un fungo arbuscolare vescicole arbuscoli
Interazione pianta-fungo AM: Il processo d infezione Fase pre-simbiotica (extraradicale) Fase simbiotica (intraradicale)
Segnali molecolari nella fase presimbiotica Crescita ifale normale Componenti degli essudati radicali inducono la ramificazione delle ife extraradicali Ramificazione ifale indotta da essudati della pianta Un sesquiterpene è responsabile della ramificazione fungina: (Akiyama et al., Nature 2005) È attivo a concentrazioni nano-picomolari Prodotto da un ampio range di piante ospiti Assente o scarso in piante non ospiti
I molteplici ruoli degli strigolattoni Lo strigolattone è un ormone vegetale che viene utilizzano nella comunicazione della pianta con altri organismi (es. funghi AM e Striga)
Il successo di molte piante parassite (es. Striga, Orobanche, Cuscuta, etc.) dipende dalla produzione di moltissimi semi privi di risorse energetiche, che germinano solo in presenza di segnali prodotti dalle piante.
Segnali fungini (Myc factor) inducono risposte nella pianta ospite: Transienti di Calcio Attivazione genica (es. ENOD11) Il Calcium spiking indotto dalla molecola segnale fungina è distinguibile da quello indotto dal fattore di nodulazione (LCO) Ca2+ spiking
Da poco è stata scoperta la struttura chimica del Myc factor Maillet et al, Nature 2011 La struttura è molto simile al segnale chimico (Nod factor) rilasciato dal simbionte batterico durante l interazione leguminose-rizobi.
Fase presimbiotica Fase simbiotica Formazione dell appressorio e ingresso nell epidermide Un apparato di pre-penetrazione si forma nelle cellule epidermiche prima dell ingresso dell ifa fungina La colonizzazione delle cellule corticali è preceduta da un movimento di citoplasma e organelli verso il centro della cellula vegetale L apparato di pre-penetrazione ricorda la formazione del tubetto di infezione
Il fungo AM colonizza i tessuti radicali e forma ARBUSCOLI all interno di cellule bersaglio Arbuscoli all interno di cellule radicali
Formazione dell arbuscolo L ifa intracellulare va incontro ad una estesa ramificazione, circondata dalla membrana vegetale (membrana periarbuscolare) L arbuscolo: la struttura fungina intracellulare più coinvolta negli scambi nutrizionali Struttura effimera (7-12 d) Pompe protoniche ATPasiche sulla membrana periarbuscolare creano un gradiente protonico forza motrice per il trasporto transmembrana
Il principale elemento trasferito dai funghi AM alla pianta ospite è il FOSFORO Elemento essenziale ma poco biodisponibile Velocità di diffusione bassa = Zona di deplezione (0.2-1.0 mm). Concentrazioni nel suolo = 2,5-10 microm Concentrazione nelle cellule = 20 mm Trasportatori del fosfato ad alta e bassa affinità
Trasportatori del fosfato Per il trasferimento di fosfato alla pianta sono necessari almeno 3 trasportatori: a) trasportatore fungino per l assorbimento del fosfato dal suolo c) trasportatore fungino per il rilascio del fosfato nello spazio periarbuscolare b) trasportatore vegetale per il trasferimento alla pianta ospite
a) Trasportatori del fungo AM Identificazione e regolazione di un trasportatore del fosfato (PT) nel micelio extraradicale Utilizzo di un sistema di crescita a comparti separati La trascrizione del PT fungino è indotta da basse concentrazioni e soppressa da alte concentrazioni di fosfato
b) Trasportatori della pianta Uso di geni reporter (GUS) La pianta silenzia molti dei suoi trasportatori del fosfato in presenza del fungo AM Identificato un trasportatore espresso in modo specifico nelle cellule vegetali che contengono arbuscoli Promotore StPt3 Controllo Ibridazione in situ Sonda antisenso Sonda senso
Le leguminose possono formare sia simbiosi con rizobi azotofissatori che con funghi micorrizici arbuscolari Identificazione dei geni coinvolti nel processo di infezione Piante modello Lotus japonicus Medicago truncatula
Circa il 50% dei mutanti difettivi per la simbiosi con rizobi (FIX-) è incapace di formare micorrize funzionali Pen - Coi - Arb -
Mutanti Nod - / Myc - Pen - Medicago truncatula Lotus japonicus Sia in Lotus che in Medicago si ritrovano le stesse categorie di mutanti per la micorrizazione
Confronto tra noduli delle leguminose e micorrize arbuscolari Alcune considerazioni: Il segnale prodotto dai funghi arbuscolari e dai rizobi è molto simile Convergenza evolutiva
Le risposte della pianta ai due microrganismi hanno molte tappe comuni L apparato di prepenetrazione ricorda la formazione del tubetto di infezione Mic. arbuscolari Noduli
Somiglianze nel controllo genico della simbiosi tra leguminose e rizobi o funghi AM AM noduli Circa il 50% dei mutanti Nod - sono anche Myc - I mutanti mettono in evidenza come esistano alcune tappe controllate da geni comuni e altre controllate da geni specifici per le due simbiosi COMMON SYMBIOTIC PATHWAY
COMMON SYMBIOTIC PATHWAY
Conservazione dei meccanismi di interazione La simbiosi micorrizica arbuscolare è molto antica e compare già nelle prime piante terrestri Le leguminose e le piante parassite (es. Striga) compaiono molto più tardi nell evoluzione delle piante Terziario Cretaceo Mantenuti alcuni dei segnali e dei meccanismi di trasduzione di questi segnali in relazioni mutualistiche e antagonistiche Devoniano Ordoviciano
Modulo di Biologia vegetale PARTE I 35 DOMANDE 1) Quale tra i seguenti polimeri puo rilasciare molecole di natura informazionale? cellulosa pectine amido xilani fruttosani 2) (Completare la frase) Nella canna da zucchero, il saccarosio viene accumulato nel vacuolo grazie a due sistemi di trasporto, rispettivamente e 3) Come si chiama la via di movimento dei liquidi che utilizza le pareti cellulari? 4) Descrivere brevemente l organizzazione generale dei plastidi. PARTE II Schema - Descrivere l esperimento rappresentato nello schema e le strutture cellulari coinvolte
Didattica Laurea Magistrale in Biotecnologie vegetali LM-6/LM-7 Ricerca Dipartimento di Scienze della Vita e Biologia dei sistemi