I BATTERI DEL SUOLO ECOSISTEMA = complesso dinamico di piante, animali, comunità microbiche e del loro intorno non vivente che interagiscono come un unità funzionale. Un ecosistema contiene molti HABITAT diversi, cioè parti dell ecosistema particolarmente adatte alla vita di una o poche popolazioni. Nonostante i microrganismi siano presenti in qualunque habitat in cui sono presenti animali o piante, non è vero il contrario, cioè molti habitat microbici non sono adatti alla vita di piante e animali (per es. ambienti estremi come le aree vulcaniche). Il termine SUOLO si riferisce al materiale più esterno e lasso presente sulla superficie terrestre, che costituisce uno strato distinto dal letto roccioso sottostante. HUMUS: è un componente del terreno formato da prodotti frutto della degradazione e rielaborazione della sostanza organica del terreno. È un eteropolimero con peso molecolare che va da poche centinaia a migliaia di Dalton. L'humus rappresenta la parte più attiva PEDOGENESI 2 1
3 3 INTERAZIONI SUOLO-PIANTA-MICRORGANISMI 4 3 Pianta 2 1 Microrganismi (Funghi e batteri) 5 6 Suolo 1 La pianta influenza le caratteristiche del suolo con l apporto di materia organica (tessuti morti + essudati radicali); 2 Le caratteristiche del suolo influiscono le attività fisiologiche della pianta e la disponibilità di nutrienti; 3 La pianta fornisce energia ai microrganismi; 4 e 5 L abbondanza e la diversità dei microrganismi influisce sulle attività fisiologiche della pianta e sulla disponibilità di nutrienti in modo diretto (4) o in modo indiretto modificando le caratteristiche del suolo (5); 6 Le caratteristiche del suolo modulano l abbondanza e la diversità dei microrganismi. 4
LA RIZOSFERA La RIZOSFERA è il volume di suolo che subisce l influenza delle radici Esterna (ectorizosfera) Interna (endorizosfera) Rizoplano = interfaccia suolo-radice 5 Nella rizosfera troviamo: 1. I microrganismi associazione radici, i quali possono: svilupparsi sia all esterno sia all interno delle radici ricoprire fino al 10% della superficie radicale inibire la crescita radicale Fitotossine stimolare la crescita radicale Micorrize 2. Materiali organici liberati dalle radici: Essudati: composti a basso peso molecolare Lisati: prodotti di autolisi delle cellule epidermiche più vecchie e delle cellule microbiche Mucillagini: composti a elevato peso molecolare di natura polisaccaridica https://www.youtube.com/ watch?v=xqiunmdwftc 6
Habitat microbici nelle piante Simbiosi dei noduli radicali delle leguminose Vedremo meglio di cosa si tratta in una prossima lezione! 7 8
9 La NITROGENASI è un complesso enzimatico, appartenente alla classe delle ossidoreduttasi, che catalizza il processo di riduzione dell'azoto atmosferico 10
Fasi del processo di fissazione dell'azoto e reazione globale Processo di azotofissazione - È altamente riduttivo; - È inibito dall ossigeno; - È molto costoso in termini di energia di attivazione in quanto l azoto molecolare è un composto inerte data la presenza di un triplo legame molto stabile. - Per ridurre l azoto a ammoniaca devono essere trasferiti sei elettroni e formati diversi intermedi. Il flusso di elettroni prevede quattro differenti tappe con 4 fattori: (i) Donatore di elettroni (ferrodossina o flavodossina); (ii) Dinitrogenasi reduttasi; (iii) Dinitrogenasi; (iv) N 2 (Fig. 4). Durante il passaggio degli elettroni all N 2 si ha il consumo di 16-24 moli di ATP per mole di N 2 fissato. Etilene + + + Acetilene 11 B A N.B.: La canna da zucchero ha la maggiore capacità di fissazione: alta qualità negli essudati radicali alte temperature del suolo associazioni a più alta specificità pianta-ospite maggiore resistenza alla presenza di N nel terreno B A N.B.: In natura esistono anche diverse piante non leguminose in grado di istaurare simbisi per l azoto-fissazione con batteri diversi dai rizobi (se veda la pagina successiva). 12
Microorganismi fissatori dell'azoto La capacità di fissare l'azoto si osserva in un piccolo numero di microorganismi procarioti. I batteri azotofissatori possono vivere sia liberi che in simbiosi. In generale, infatti, si possono distinguere due grandi gruppi: i batteri liberi e i batteri simbiontici (che vivono cioè in simbiosi con altri organismi). Tra i batteri liberi, per esempio, Azotobacter, Klebsiella, Clostridium, Rhodospirillum. Tra i batteri simbiontici, Anabaena, Nostoc, Citrobacter, oltre al gruppo dei Rhizobium che sono simbionti delle leguminose (come soia, trifoglio, erba medica). Molti generi sono eterotrofi, altri autotrofi. Fra gli eterotrofi alcuni generi sono anaerobi obbligati, (per esempio Clostridium), altri aerobi facoltativi (per esempio Klebsiella), altri ancora aerobi (per esempio Azotobacter). I batteri autotrofi presentano un tipo primitivo di fotosintesi, ricavando sia il carbonio che l'azoto dall'aria (come il Rhodospirillum). Fra i batteri che vivono in simbiosi, i più importanti e specializzati appartengono al genere Rhizobium, che formano noduli radicali in molte specie di leguminose. Tutti i microrganismi capaci di fissare l'azoto sono provvisti di un sistema enzimatico denominato nitrogenasi. Presentation Title runs here l 13 00/00/00 13 Clostridium Il genere Clostridium (già citato alcune volte in precedenza in questo corso ) comprende batteri anaerobi più o meno stretti, chemioorganotrofi, sporigeni. Alcune specie sono azotofissatrici, altre proteolitiche. Hanno forma a bastoncino e sono generalmente mobili. Hanno notevole capacità di adattamento e possono essere annoverati fra le specie più attive, specialmente nei terreni forestali ( così come nell intestino umano ). Azotobacter p Firmicutes;c Clostridia;o Clostridiales; f Clostridiaceae p Proteobacteria;c Gammaproteobacteria; o Pseudomonadales;f Pseudomonadaceae È il più importante genere di microorganismi azotofissatori. Comprende batteri chemioorganotrofi e strettamente aerobi. Hanno forma a bastoncino di 2 micron di diametro e di lunghezza variabile. Sono mobili per mezzo di flagelli o immobili. Si presentano singolarmente, in coppie o in aggregati irregolari. Non formano spore. Possono produrre abbondanti quantità di muco capsulare e fissano l'azoto in maniera non simbiontica. Sono diffusi in acque e suoli con temperatura ottimale 20-30 C. 14
Rhodospirillum I batteri Rhodospirillum sono policromi, rossi, verdi e bruni, essendo dotati di batterioclorofilla e di differenti tipi di pigmenti carotenici. Nella loro attività fotosintetica il riducente non è l'acqua ma l'acido solfidrico. L'azotofissazione è associata alla fotosintesi. Condizioni fondamentali per il loro sviluppo sono anaerobiosi e luce. Perciò sono presenti negli stagni, nelle fanghiglie al fondo dei bacini lacustri, nei terreni sommersi e nelle acque di scarico. Rhizobium p Proteobacteria;c Alphaproteobacteria; o Rhodospirillales;f Rhodospirillaceae p Proteobacteria;c Alphaproteobacteria; o Rhizobiales;f Rhizobiaceae I Rhizobium sono batteri chemiorganotrofi con metabolismo respiratorio. Hanno forma a bastoncino, di 0,5-0,9 micron; sono mobili per mezzo di 2-6 flagelli o di un flagello polare; sono asporigeni. Possono invadere i peli radicali delle leguminose e stimolare la produzione di noduli detti anche tubercoli_radicali, in cui i batteri si presentano come simbionti intracellulari (batteroidi). I batteroidi dei tubercoli fissano l'azoto molecolare in forme combinate utilizzabili dalle piante ospiti e usano i metaboliti prodotti dalla pianta come fonte di energia. 15 Agrobacterium p Proteobacteria;c Alphaproteobacteria; o Rhizobiales;f Rhizobiaceae Le interazioni dei alcuni microrganismi con le piante sono di tipo parassitario. Il genere Agrobacterium (un genere affine a Rhizobium) comprende organismi che provocano la formazione di tumori in diverse piante. Le specie più studiate sono Agrobacterium tumefaciens, che provoca la «galla del colletto» e Agrobacterium rhizogenes, che provoca la malattia delle «radici pelose». 16
Un altro tipo di interazione tra microrganismi e piante è rappresentato dalle MICORRIZE (etimologia: fungo della radice) Le micorrize sono una associazione simbiontica che si instaura tra le radici di molte piante (erbacee, arbustive ed arboree) e funghi del terreno. La pianta fornisce ai funghi simbionti carboidrati semplici prodotti con la fotosintesi (essudati radicali) indispensabili al loro metabolismo. I funghi micorrizici producono fattori di crescita vegetali che inducono alterazioni morfologiche delle radici stimolando la formazione dello strato micorrizico. La specie-specificità è bassa in quanto una specie di pianta può formare associazioni micorriziche con diversi funghi. Benefici per la pianta: - estendono il sistema radicale (maggior sviluppo delle radici); - migliorano l efficienza di assorbimento di nutrienti (P e N) soprattutto nei suoli umidi; - favoriscono l assunzione dell acqua negli ambienti aridi; - esercitano un azione di protezione nei confronti di stress abiotici e biotici (maggiore resistenza ai patogeni). 17 18
19 Gli eumiceti 20
Gli EUMICETI sono microrganismi eucarioti chemiorganotrofi (generalmente hanno richieste nutrizionali semplici) appartenenti al regno Fungi e sono costituiti da tre principali gruppi (classificazione non tassonomica): lieviti (funghi unicellulari) le muffe (funghi filamentosi) Le muffe sono organismi eucarioti, eterotrofi, privi di clorofilla, la cui struttura somatica è costituita da elementi tubolari ramificati: le ife. L insieme delle IFE costituisce il MICELIO La parete cellulare ha come principale costituente la chitina (omopolimero di N- acetilglucosammina). Contiene anche cellulosa (omopolimero di glucosio). Chitina e cellulosa (80-90 % dell intera parete) sono disposte in fasci di microfibrille, cementate dalla presenza di proteine, lipidi, polifosfati e ioni inorganici I funghi fruttiferi (carpofori) 21 Le muffe Habitat: solo alcuni vivono in ambienti acquatici (prevalentemente di acqua dolce), mentre la maggior parte risiede nel suolo o in materiale organico in decomposizione (ruolo importante nella mineralizzazione del carbonio organico). Possono essere talvolta parassiti di animali e sono spesso parassiti di piante terrestri, responsabili di malattie che portano ad ingenti danni economici alle coltivazioni (per es. Botrytis cinerea, Colletotrichum). Siccome le spore delle muffe sono ubiquitarie e siccome molte specie possono crescere a temperature fino a 62 C e a bassi ph, le muffe sono comuni contaminanti dei prodotti alimentari In rari casi può avere un ruolo protecnologico in ambito alimentare, come per alcuni membri del genere Penicillium. Alcuni sono importantissimi poiché sono i produttori di ANTIBIOTICI (come per es. penicillina e cefalosporine). Attualmente il 20% circa degli antibiotici è prodotto da muffe. 22
STRUTTURA GENERALE DI UN FUNGO FILAMENTOSO CORPI FRUTTIFERI MICELIO AEREO MICELIO VEGETATIVO 23 La riproduzione asessuale (processo di MITOSI) negli eumiceti La morfologia delle spore e la struttura del corpo fruttifero è stata per molto tempo alla base dell identificazione ei dei funghi filamentosi I LIEVITI si possono riprodurre asessualmente per gemmazione (= blastogonia) (tramite BLASTOSPORE) oppure per scissione binaria (schizogonia) N.B.: Candida è un lievito che può formare strutture filamentose dette PSEUDOMICELIO, sulle quali possono formarsi le blastospore Blastogonia Schizogonia setto divisiorio blastospore Nelle MUFFE la riproduzione asessuata avviene attraverso la formazione di un CORPO FRUTTIFERO a livello del micelio aereo. In base alla tipologia di corpo fruttifero si distinguono: CONIDOSPORE (1), SPORANGIOSPORE (2), ARTROSPORE (3) e CLAMIDOSPORE (4) Alcune muffe (per es il genere Monilia) possono fare anche BLASTOGONIA (formazione di BLASTOSPORE, ovvero rigonfiamenti lungo le IFE) 24
(1) Conidiospore Le conidiospore sono spore portate su strutture specializzate denominate conidiofori Generi: Penicillium Aspergillus Botrytis Conidioforo 25 Aspergillus È ubiquitario. Molte specie si sviluppano a danno di cibi ricchi di amido, come i cereali e le patate, producendo spesso AFLATOSSINE, estremamente tossiche e cancerogene Alcune specie di Aspergillus (A. fumigatus e A. flavus) possono produrre infezioni nell'uomo e negli animali (aspergillosi) che colpiscono tipicamente l'apparato respiratorio (naso e polmoni) A. niger viene usato per la produzione di acido citrico (oltre il 99% della produzione mondiale) e di alcuni enzimi Estratto da: "http://it.wikipedia.org/wiki/aspergillus" Penicillium * P. notatum, produttore di penicillina * P. camemberti, nella produzione del formaggio Camembert e Brie * P. candida, nella produzione di Camembert e Brie * P. glaucum, utilizzato nella produzione di Gorgonzola * P. roqueforti, nella produzione di Roquefort, Blue cheese e Gorgonzola 26
(2) Spore contenute in uno sporangio Sporangiospore Sporangio Generi: Mucor spp. Rhizopus spp. Absidia spp. (3) Spore prodotte dalla frammentazione delle ife Artroconidi (artrospore) Frammentazione dell ifa Genere: Geotrichum spp. (4) Spore prodotte all interno o all estremità dell ifa Sporangioforo Genere: Tricoderma spp. Esistono anche altre tipologie di spore asessuate, come le: DIDYMOSPORE (presenza di 1 setto trasversale) PHRAGMOSPORE (più setti) Clamidospore Fusarium spp. Trichothecium caseum N.B.: le spore non settate sono dette AMEROSPORE 27 La riproduzione sessuale (processo di MEIOSI) negli eumiceti Tutti gli eumiceti sono classificati principalmente per la loro riproduzione sessuale 1) Ficomiceti (Zigomiceti), 2) Ascomiceti, 3) Basidiomiceti, 4) Deuteromiceti 1) FICOMICETI (ZIGOMICETI): riproduzione sessuata con formazione della ZIGOSPORA Ciclo vitale degli ZIGOMICETI A) Riproduzione asessuata da spore B) Ripr. sessuata: formazione delle zigospore 1) attrazione e fusione delle ife di sesso opposto; 2) fusione dei gametangi e inizio della formazione della zigospora; 3) zigospora; 4) germinazione; (da Rambelli 1981, www.funghiitaliani.it) NESSUNO LIEVITO APPARTIENE A QUESTO GRUPPO Sono zigomiceti, ad es., i membri dei generi Rhizopus e Mucor) Alcuni possono causare infezioni negli animali (zigomicosi). Due specie di Rhizopus sono utili. Rhizopus oligosporus è usato per la produzione del tempeh, pane di soia fermentata popolare in Indonesia. Rhizopus oryzae invece è usato per la produzione di bevande alcoliche in Asia Alcune specie sono parte del microbiota fungino tipico della crosta del taleggio (Mucor racemosus e M. hiemalis) 28
2) ASCOMICETI: la riproduzione sessuata avviene con formazione di un sacchetto (ASCO) che contiene le spore (ASCOSPORE) (per es. molti lieviti (Saccharomyces, Kluyveromyces etc.) ed alcune specie di Aspergillus) Associazione di aschi 29 3) BASIDIOMICETI: la riproduzione sessuale avviene con formazione del BASIDIO, una struttura a clava originata da un ifa. NON all interno, bensì all esterno si formano 4 spore per meiosi, dette BASIDIOSPORE (per es. i lieviti Rhodosporum e Sporobolomyces) basidio basidiospora basidiospore basidi 4) DEUTEROMICETI: funghi imperfetti, nei quali la riproduzione sessuale non è condotta o comunque non è mai stata osservata (per es. Penicillium -non sempre-, alcune specie di Aspergillus e i lieviti Candida, Kloeckera, Rhodotorula) Sono classificati esclusivamente in base alla struttura degli apparati di riproduzione vegetativa (cioè asessuale) N.B.: in campo industriale è meglio avere a che fare con essi, poiché la riproduzione sessuale, se fosse presente, passando da una generazione alla successiva, le caratteristiche fenotipiche del microrganismo potrebbero cambiare N.B.: NEI LIEVITI L INTERA CELLULA SI TRASFORMA IN ASCO O BASIDIO 30
In funzione della tipologia di MICELIO (o SOMA o TALLO FUNGINO) i funghi filamentosi si distinguono in: funghi ad organizzazione CENOCITICA (ife non settate, dal greco koinos, comune e kitos, vaso) funghi ad organizzazione cellulare (ife settate) funghi più evoluti funghi più primitivi: Zigomiceti parete trasversale forata Ascomiceti Deuteromiceti (alcuni) Basidiomiceti 31 I funghi fruttiferi Sono basidiomiceti filamentosi che formano ampie strutture dette corpi fruttiferi (CF) (la parte commestibile di alcuni funghi) Per la maggior parte della sua esistenza vive come un semplice micelio nel suolo o in materiale biologico in decomposizione. Tuttavia, quando le condizioni ambientali sono favorevoli, generalmente dopo periodi di tempo umido e fresco, si sviluppa il CF, che una volta maturo si vede chiaramente sulla superficie Le basidiospore dei corpi fruttiferi sono disperse dal vento e, una volte giunte in terreno favorevole, generalmente umido e ricco di composti organici, cominciano un nuovo ciclo 32
Le spore sessuali, dette basidiospore, si formano sulla parte inferiore del CF su superfici piatte dette lemelle oppure in tessuti spugnosi, attaccati al cappello del fungo N.B.: Esistono funghi che formano carpofori maturi ipogei (cioè sottoterra), denominati comunemente TARTUFI (genere Tuber) sono ASCOMICETI 33 34