Xxxx Xxx I composti organici volatili che proteggono le piante contro gli insetti fitofagi I sinomoni: ecco le armi chimiche delle piante di Salvatore Guarino Bruco di Ennomos fuscantaria su una foglia di nocciolo [Immagine: J.P. Hamon, Wikipedia Commons, 2009] Le piante venivano una volta considerate come organismi passivi nei confronti degli attacchi degli animali nocivi. Invece, durante gli ultimi due decenni la ricerca scientifica ha appurato che non è affatto così. Analizziamo assieme i meccanismi di difesa delle piante e le loro capacità di difendersi dagli insetti fitofagi, attraverso un ingegnoso e curioso meccanismo col quale richiamano i loro nemici naturali lanciando SOS di tipo chimico: i sinomoni.
HIPVs e sinomoni Un esemplare adulto del lepidottero Trichoplusia ni (Lepidoptera, Noctuidae). [Immagine: Calibas, Wikipedia Commons, 2007] Forma larvale (bruco) del lepidottero Trichoplusia ni. [Immagine: David Cappaert, Michigan State University, Bugwood.org] MECCANISMI DIFENSIVI DELLE PIANTE COSTITUTIVI INDOTTI DALL ATTIVITÀ DEL FITOFAGO Strategie e meccanismi di difesa delle piante nelle relazioni tritrofiche tra pianta, insetto fitofago e nemici naturali di quest ultimo. Struttura dell isoprene DIRETTI DIRETTI INDIRETTI Adattamenti morfologici, fisiologici e biochimici che ostacolano l attività trofica degli insetti fitofagi. Ad esempio: spine, tricomi, metaboliti tossici. Produzione di sostanze che agiscono contro il fitofago: composti volatili repellenti (HIPVs), tossine, essudati ecc. Produzione ed emissione di sostanze volatili (HIPVs) che richiamano i nemici naturali del fitofago: i sinomoni. La conoscenza degli elementi che influenzano le relazioni tra organismi viventi è una sfida importante dell ecologia di base e applicata. Durante gli ultimi vent anni si è avuto un grosso incremento delle conoscenze degli stimoli di tipo chimico che mediano le relazioni tra vegetali, insetti fitofagi (dal greco fitos = pianta e fago = nutro) e loro nemici naturali. Nel corso della loro evoluzione, le piante hanno sviluppato interessanti meccanismi di difesa per proteggersi dagli attacchi dei fitofagi, sia di tipo costitutivo, sia indotto dall attività degli insetti stessi (vedi tabella). Quelli del primo tipo ostacolano direttamente l attività degli erbivori mediante sistemi meccanici, rappresentati da adattamenti morfologici quali spine e tricomi, o per via biochimica, attraverso la presenza di metaboliti tossici nei tessuti. Le difese indotte, invece, agiscono in risposta all attività esercitata dal fitofago sulla pianta. È stato osservato che l attacco di un tale insetto su una pianta ospite può determinare un cambiamento quantitativo o qualitativo dei composti volatili prodotti dai tessuti vegetali. Se questi ultimi sono prodotti ex novo dalla pianta solo in seguito all attacco di un insetto, si parla di herbivory induced plant volatiles (HIPVs; composti vegetali volatili indotti dagli erbivori). Gli HIPVs giocano un ruolo molto importante nelle interazioni tra pianta e fitofago. In alcuni casi essi agiscono come mezzo di difesa diretto, avendo un azione repellente nei confronti dell insetto. Una ricerca condotta da Landolt nel 1993 evidenziò, infatti, che gli adulti del lepidottero Trichoplusia ni (Hubner), un insetto alta- CARATTERIZZAZIONE CHIMICA DEI SINOMONI I terpeni sono biomolecole rappresentate da polimeri dell isoprene, per questo detti anche isoprenoidi, lineari, ciclici o combinati. In presenza di sostituenti contenenti atomi diversi da carbonio e idrogeno - come gruppi idrossili, carbonili o azotati - vengono chiamati terpenoidi. Le piante a seguito di attacchi di insetti fitofagi emettono i sinomoni, composti volatili organici che si inquadrano in due categorie principali. La prima - quella dei volatili della foglia, tipicamente formata da molecole a sei atomi di carbonio (alcoli, esteri) - è poco specifica poiché queste molecole Struttura dell acido jasmonico, un noto sinomone (elicitor) vengono emesse anche in seguito a lesioni meccaniche dei estratto originariamente dal gelsomino. tessuti vegetali. La seconda, quella degli HIPVs, è formata principalmente da composti terpenoidi che rappresentano una risposta specifica. Infatti, vengono sintetizzati ex novo tramite processi metabolici secondari attivati da sostanze induttrici (elicitor) derivate da attività dell insetto, quali la nutrizione e la riproduzione. Infatti, possono essere presenti nella saliva delle larve o nel secreto che ricopre le uova deposte dalle femmine. 5 n.27 Settembre 2012
PREDATORI E PARASSITOIDI DEGLI INSETTI FITOFAGI I nemici naturali degli insetti fitofagi si dividono in predatori e parassitoidi. I primi sono insetti carnivori che allo stadio di adulto o di larva si nutrono attivamente del fitofago. Tra i più utili in agricoltura vi sono i coleotteri della famiglia delle coccinelle che si nutrono di afidi e cocciniglie. I parassitoidi invece sono insetti che attaccano il fitofago deponendo un uovo sul corpo (ectoparassitoidi) o all interno del corpo (endoparassitoidi) dell ospite. Dopo la schiusa dell uovo, la larva si nutrirà dei tessuti dell ospite uccidendolo. La maggior parte dei parassitoidi appartiene agli ordini dei ditteri (mosche e simili) e degli imenotteri (api, vespe ecc.). In natura sia i predatori che i parassitoidi svolgono un ruolo importante nel contenere le popolazioni degli insetti fitofagi, tanto che oggi vengono allevati in maniera massiva in laboratorio per essere utilizzati come insetticidi naturali nei programmi di agricoltura biologica e integrata. La coccinella comune Coccinella septempunctata Linnaeus, 1758 (Coleoptera, Coccinellidae). [Immagine: Pietro Zito, Università di Palermo] mente polifago, mostravano una maggiore attrazione verso i composti volatili prodotti da piante sane di cotone o di cavolo usate nell esperimento, rispetto a quelli emessi da piante danneggiate dall attività trofica dei bruchi di Trichoplusia. Un successivo studio ha evidenziato che le larve di un altro lepidottero, Heliothis virescens (Fabricius), nutrendosi sulle foglie di tabacco, inducono nella pianta l emissione di sostanze che agiscono come repellenti nei confronti degli insetti adulti. Gli HIPVs possono anche funzionare come mezzi di difesa indiretta, attraendo i nemici naturali dell insetto fitofago attraverso una sorta di SOS chimico (vedi figura). Tali antagonisti, predatori e parassitoidi, agiscono sul controllo naturale degli organismi erbivori, i primi predandoli direttamente, i secondi parassitando e uccidendo l insetto fitofago. Tali sostanze SOS che richiamano i nemici naturali, vengono anche definite sinomoni (dal greco sin = insieme e ormao = stimolo), composti detti allelochi- Schematizzazione di un sistema tri-trofico. 1 - attacco del fitofago; 2 - il fitofago induce la produzione di sostanze volatili da parte della pianta con funzione di sinomoni; 3 - i sinomoni vengono utilizzati dal parassitoide per ritrovare l ospite; 4 - il fitofago viene attaccato ed ucciso dal parassitoide. 6 n.27 Settembre 2012
Adulti dell afide Acyrthosiphum pisum (Hemiptera, Aphididae). [Immagine: Frank Peairs, Colorado State University, Bugwood. org] Individuo adulto di Aphidius ervi (Hymenoptera, Braconidae), una vespa parassitoide di Acyrthosiphum pisum. [Immagine D.K.B. Cheung, Nursery and Landscape Pests Demo Site, http://dkbdigitaldesigns. com/clm/] mici utili sia all organismo che li emette (la pianta), sia a quello che li capta (predatore o parassitoide). Questi meccanismi sono stati evidenziati in molte famiglie di piante e sono alla base di un importante strategia per limitare i danni dovuti agli attacchi di insetti fitofagi. I vegetali non sono quindi esseri passivi, anzi sono capaci di proteggersi dagli attacchi con sistemi ingegnosi un tempo insospettabili. I sistemi tri-trofici Dal punto di vista ecologico, risulta evidente come le relazioni tra piante e insetti predatori e/o parassitoidi mediate dai sinomoni presentino vantaggi per entrambi. Per i nemici naturali dei fitofagi, questi segnali chimici a lungo e corto raggio sono indispensabili trovare e riconoscere le prede. In un articolo del 2001 apparso sulla prestigiosa rivista scientifica Science, Kessler e Baldwin hanno evidenziato che l emissione di composti organici volatili da parte della specie Nicotiana attenuata a seguito degli attacchi di tre insetti fitofagi portava ad un incremento della loro predazione del 90% circa. I predatori vanno alla ricerca di bersagli piccoli e ben mimetizzati, pertanto il ruolo giocato dagli stimoli chimici olfattivi è fondamentale nel processo di ritrovamento. Ovviamente i benefici per la pianta sono rappresentati dalla diminuzione del numero di fitofagi e dalla conseguente riduzione dei danni ai suoi tessuti. Un esperimento condotto nel 1990 da Turling, Tumlison e Lewis - pubblicato anch esso su Science - ha dimostrato la capacità di secernere i sinomoni solo in presenza di danni tissutali provocati da insetti e non a seguito di lesioni meccaniche dovute a fattori abiotici come, ad esempio, tagli e rotture dovute al vento. Le osservazioni effettuate sul mais hanno evidenziato che le piante attaccate dalle larve di lepidotteri mostravano un significativo aumento nelle emissioni di terpenoidi volatili rispetto a quelle sane. Questi ultimi avevano un ruolo chiave nell attrarre l insetto Cotesia marginiventris, un importante parassitoide di molti lepidotteri nottuidi dannosi per le colture. Tali molecole non erano sintetizzate in caso di danno tissutale artificiale, tuttavia, se la zona interessata veniva cosparsa con la secrezione boccale dei bruchi, veniva indotta la produzione di queste sostanze SOS. È stato così provato che l emissione di questi composti volatili è legata al danno fisico dei tessuti vegetali in combinazione con la presenza degli elicitor contenuti nella saliva dei bruchi. Non solo i lepidotteri, le cui voraci larve hanno un potente apparato boccale masticatore che provoca gravi danni alle foglie delle piante, ma anche altri insetti erbivori, con apparato boccale pungente e succhiante, i cosiddetti fitomizi, possono indurre nei vegetali l emissione di sostanze volatili con funzione di sinomoni. Lo studio condotto da Guerrieri nel 1999 ha dimostrato che le piante di fagiolino infestate dall afide Acyrthosiphon pisum, producevano sostanze volatili in grado di attrarre le femmine del suo parassitoide, l imenottero braconide Aphidius ervi. La produzione di questi sinomoni non si limitava ai soli tessuti attaccati dagli afidi, ma veniva indotta anche in altri distretti ancora indenni tramite la cosiddetta induzione sistemica, determinata dal trasporto floematico degli elicitor lungo il sistema circolatorio. Ancora più sorprendente è stata la scoperta che l induzione della produzione di sinomoni non è legata unicamente alla attività di alimentazione da parte del fitofago. Talvolta, infatti, è stato evidenziato che anche l attività di deposizione delle uova nei tessuti della pianta può determinare un 7 n.27 Settembre 2012
Ecco i sinomoni Le armi delle piante Veduta d insieme del sistema del sistema tri-trofico pianta (Vicia faba), fitofago (Nezara viridula) e parassitoide oofago (Trissolcus basalis). In questo caso, in seguito alla contemporanea attività di nutrizione e deposizione delle uova del fitofago, la pianta produce composti volatili che attraggono il parassitoide (sinomoni). 8 cambiamento nella produzione dei composti volatili che determinano l attrazione di nemici naturali. In questo caso i composti SOS determinano l attrazione di parassitoidi oofagi, i quali attaccano lo stadio di uovo del fitofago: viene così attuata una forma di difesa preventiva che ha luogo prima della schiusa delle uova e della conseguente azione dannosa esercitata dalle larve. Uno studio condotto da Colazza e collaboratori nel 2004, proprio sui parassitoidi oofagi, dimostrò che in alcuni casi l induzione alla produzione di sinomoni da parte della pianta è legata all effetto combinato dell attività di nutrizione e di deposizione da parte del fitofago. Durante quest indagine si osservò che le piante di fagiolino o di fava infestate dalla ben conosciuta cimice verdognola degli ortaggi, Nezara viridula, producevano sostanze attrattive nei confronti delle femmine del parassitoide oofago Trissolcus basalis, solo quando le stesse presentavano sia danni da alimentazione che la contemporanea presenza delle uova deposte dal fitofago. Al contrario, le piante in cui si verificava solo una delle due condizioni non erano in grado di attrarre il parassitoide. Gli elicitor paiono, quindi, essere presenti non solo nella saliva, ma anche nelle secrezioni che ricoprono le uova del fitofago. n.27 Settembre 2012 Allarme verde Un ulteriore interessante aspetto delle relazioni mediate dai sinomoni è che le piante attaccate sono in grado di indurre la loro produzione anche in quelle limitrofe, ancora non colpite. I vegetali, quindi, sono in grado di comunicare tra loro per via aerea e anche questa trasmissione degli avvisi di pericolo è affidata a composti organici volatili. Dal punto di vista metabolico, le risposte indotte sulla pianta da organismi fitofagi sono state schematicamente ricondotte a due percorsi fisiologici principali, indicati con il nome delle rispettive molecole terminali: il ciclo dell acido salicilico e quello dell acido jasmonico. Queste molecole vengono poi trasformate nei rispettivi esteri metilici e rilasciate in forma volatile. In generale si può dire che il ciclo dell acido salicilico viene attivato dalla pianta a seguito di un danno determinato da insetti con apparato boccale pungente e succhiante come afidi, cocciniglie e aleirodidi. I fitofagi masticatori come lepidotteri, coleotteri e ditteri sono invece responsabili dell attivazione del ciclo dell acido jasmonico.
Applicazioni agronomiche I meccanismi di difesa delle piante rappresentano un area di ricerca a forte valenza interdisciplinare e coinvolgono competenze che vanno dalla fisiologia vegetale, all ecologia chimica e comportamentale, alla biologia evolutiva. Un primo importante passo per identificare i composti volatili prodotti dalle piante sane o danneggiate da insetti fitofagi è quello di campionarli mediante sistemi in aerazione o air entertainment. Le piante vengono poste in corrente d aria all interno di grosse sfere di vetro. Le molecole emesse in atmosfera vengono catturate utilizzando dei collettori contenenti adsorbenti chimici come tenax, porapaq o carbone attivo. Esse sono poi estratte con un opportuno solvente organico per essere caratterizzate e identificate con tecniche di gascromatografia e spettrometria di massa, oppure possono essere utilizzate per effettuare test comportamentali su fitofagi e loro nemici naturali. I progressi acquisiti in questo campo negli ultimi vent anni fanno intravedere anche possibili applicazioni pratiche in agronomia. A tutt oggi queste applicazioni hanno riguardato principalmente l uso dei sinomoni per manipolare il comportamento dei nemici naturali dei fitofagi, aumentandone l attività e l efficacia. In futuro potrebbe prendere consistenza la possibilità di manipolare geneticamente le piante per ottenere una produzione costitutiva costante di sinomoni, al fine di massimizzare l efficacia della lotta biologica integrata basata sulla presenza dei nemici naturali. Salvatore Guarino Dipartimento DEMETRA, Facoltà di Agraria Università degli Studi di Palermo Olfattometro a due vie utilizzato per saggiare l attrazione a breve distanza dei parassitoidi nei confronti di sorgenti odorose. [Immagine: S. Colazza] TEST COMPORTAMENTALI Il comportamento degli insetti utili - predatori e parassitoidi - può essere studiato in laboratorio per valutare quali sostanze o loro miscele possano avere funzione di sinomoni nei loro confronti. I principali strumenti utilizzati allo scopo sono il tunnel del vento e l olfattometro. Il primo permette di osservare le reazioni e i movimenti (voli, orientamento, atterraggio ecc.) di insetti sottoposti ad un flusso di odori, in condizioni controllate, che riproducono il più verosimilmente possibile le condizioni naturali. Questo strumento si utilizza fondamentalmente per valutare gli stimoli coinvolti nell attrazione a lunga distanza. L olfattometro, invece, si utilizza per valutare l attrazione a corta distanza degli insetti verso una particolare fonte odorosa, in questo caso l insetto deve scegliere tra i due bracci dello strumento che contengono molecole o miscele diverse. 9 n.27 Settembre 2012