Fitoplasmi: prigionieri di piante ed insetti o manipolatori dei loro ospiti? Cristina Marzachì 11/04/2013
I fitoplasmi Sono batteri privi di parete cellulare Appartengono alla classe dei Mollicutes Non sono coltivabili in coltura pura D Amelio et al., 2011
I fitoplasmi sono numerosissimi e molto diversi tra loro hanno una cellula piccola (diametro tra 100 e 800 nm) e un genoma composto da un cromosoma di piccole dimensioni (600 1200 kbp)
I fitoplasmi causano malattie in molte specie di piante da frutto, ortive, ornamentali e spontanee
Proliferazione del melo infetto sano
Flavescenza dorata della vite
Lime witches broom disease
Fitoplasmosi di specie ornamentali e del cotone
Clover phyllody Apple proliferation X disease Mulberry dwarf Hybiscus witches broom Coconut lethal decline Flavescence dorée Lime witches broom
I fitoplasmi vivono all interno delle cellule dei vasi conduttori delle piante
Nelle cellule del floema i fitoplasmi si moltiplicano e si spostano verso gli organi sink Saracco et al., 2006
I fitoplasmi si muovono attraverso i pori delle placche cribrose
La pianta spesso reagisce all infezione chiudendo i pori, per impedire la diffusione dei fitoplasmi alle parti sane Gamalero et al., 2010
In natura i fitoplasmi sono trasmessi in maniera persistente e propagativa da insetti Omotteri (cicaline, cixiidi e psille) che si nutrono nel floema ACQUISITION LATENCY INOCULATION
Cicalina: Scaphoideus titanus (leafhopper) Psilla(psyllids) Cixiide (planthopper)
Nell insetto i fitoplasmi, dopo aver attraversato la barriera intestinale, si moltiplicano Galetto et al., 2012 colonizzano i diversi distretti corporei fino alle ghiandole salivari
CLOSED CYCLE grape FD Scaphoideus titanus grape
OPEN CYCLE Clematis Dictyophora europea FD Clematis grapevine FD
Difesa delle piante dagli erbivori e dai Barriere fisiche patogeni Barriere chimiche costitutive
Barriere inducibili dirette e/o indirette
Strategie degli erbivori e dei patogeni per superare le difese delle piante EFFETTORI molecole che modificano la pianta ospite e ne permettono la colonizzazione
Perché i fitoplasmi dovrebbero produrre effettori? Per trasformare i tessuti della pianta dove vivono in organi sink Per impedire o ritardare la fioritura della pianta e quindi mantenere la pianta in vita il più a lungo possibile Per rendere la pianta più appetibile all insetto vettore, aumentando quindi la probabilità di dispersione Per migliorare i parametri vitali dell insetto e favorire la probabilità dispersione
Genoma di quattro fitoplasmi è stato completamente sequenziato e di alcuni altri si dispone di sequenze non complete (draft) Lunghezza variabile compresa tra 600 e 1200 bp Ha struttura circolare (3 casi) o lineare (1 caso)
Il genoma dei fitoplasmi è instabile a causa di integrazione di fagi, eventi di ricombinazione e presenza di plasmidi mobili, ma anche per la presenza di PMU
Il genoma dei fitoplasmi è andato incontro ad una progressiva riduzione delle sue dimensioni. Le sequenze dei quattro genomi di fitoplasmi disponibili indicano che la riduzione è avvenuta a carico di categorie diverse di geni Kube et al., 2012
Nel genoma dei 4 fitoplasmi sequenziati i geni per le proteine di trasporto attraverso la membrana di sostanze diverse sono molto più frequenti di quelli per le proteine dei processi metabolici e biosintetici Fitoplasmi assumono dall ospite la maggior parte dei loro metaboliti di base
Nel genoma dei 4 fitoplasmi sequenziati esiste ed è li ospitano funzionale il set minimo di geni necessari per produrre un sistema di trasporto transmembrana (tipo Sec) che trasporta le proteine al di fuori della cellula del fitoplasma I fitoplasmi sono capaci di secernere proteine all interno delle cellule della pianta e dell insetto che
Le proteine per essere secrete attraverso il sistema di trasporto Sec devono avere un segnale all estremità N terminale
Esistono softwares bioinformatici per la ricerca di questi segnali all interno delle sequenze delle proteine dei fitoplasmi Fitoplasmi con ampia gamma d ospite hanno almeno 40 proteine secrete Fitoplasmi con ristretta gamma d ospite hanno meno proteine secrete Queste proteine secrete, funzionano come EFFETTORI?
Come si studiano gli EFFETTORI?
Hoshi et al., 2009 Tengu destabilizza il meccanismo di biosintesi e di comunicazione dell ormone auxina, determina la crescita disordinata e origina il sintomo degli scopazzi
Sugio et al., 2011 SAP54 induce numerose malformazioni fiorali
SAP 11 nella pianta inibisce la produzione dell ormone acido jasmonico, che la pianta produce quando è attaccata da erbivori per allontanarli La diminuzione del jasmonato aumenta la deposizione di uova da parte dell insetto vettore
Possibili vie di movimento degli EFFETTORI nella pianta
fitoplasmi alterano le relazioni tra la pianta e l insetto vettore Piante di melo infette dal fitoplasma dello scopazzo del melo hanno una produzione elevata di una molecola che funziona da attrattivo per lo psillide vettore del fitoplasma
fitoplasmi alterano le relazioni tra la pianta e l insetto vettore Dalbulus maidis (Delong & Wolcott) Arabidopsis thaliana D. maidis vive e si riproduce sul mais, ma non si nutre né depone uova su A. thaliana
fitoplasmi alterano le relazioni tra la pianta e l insetto vettore Dalbulus maidis (Delong & Wolcott) Arabidopsis thaliana infetta da fitoplasmi D. maidis vive e si riproduce su A. thaliana infetta da fitoplasmi, anche se non acquisisce né trasmette il batterio
fitoplasmi alterano le relazioni tra la pianta e l insetto vettore Dalbulus maidis (Delong & Wolcott) Arabidopsis thaliana geneticamente trasformata per esprimere l EFFETTORE SAP11 D. Maidis non si nutre né depone uova su A. thaliana transgenica che esprime SAP11 Altri EFFETTORI da ricercare
EFFETTORI del fitoplasma nell insetto (Toruno et al., 2010) Alcune PMU del fitoplasma possono staccarsi dal cromosoma, circolarizzare, diventare autonome all interno della cellula del fitoplasma e replicarsi più rapidamente del cromosoma Questo accade quando il fitoplasma si trova nell insetto vettore I geni di queste PMU circolari sono molto più espressi di quelli delle stesse PMU integrate nel cromosoma e tra questi si trovano, oltre ad altre proteine, anche un potenziale EFFETTORE
Le proteine tradotte dalla PMU circolare potrebbero essere coinvolte Invasione del corpo dell insetto Superamento del sistema immunitario dell insetto
Interazione di proteine di membrana del fitoplasma con proteine solubili e di membrana dell insetto Mq Macrosteles quadripunctulatus Kirschbaum Zp Zyginidia pullula Boheman Ev Euscelidius variegatus Kirschbaum Ac Aphis craccivora Koch St Ed Scaphoideus titanus Ball Empoasca decipiens Paoli Vectors Mp Non Vectors Mq Ev St Ed Zp Ac Mp Myzus persicae Sulzer Acquisiton +++ ++ + + + + Transmission +++ ++ + +
Una proteina di membrana del fitoplasma interagisce in vitro con due proteine dell insetto: ACTINA (solubile) e ATP-SINTASI (presente anche nella membrana cellulare dell insetto) Galetto et al., 2011 Leafhoppers Aphids Mq Ev Ed St Zp Ac Mp Acquisition +++ ++ + + + + Vector status Transmission +++ ++ + + Dot Far Western Blot Affinity chromatography SDSpage W. blot Amp + + + + + Art His K- p42 ++ ++ + + p50 ++ ++ + + p55 ++ ++ + + Actin + + + ATP Syn. β + + + +
Alterano lo sviluppo della pianta Tengu, SAP54, SAP11 SAP11 Alterano le relazioni tra fitoplasma e insetto??? Alterano la gamma d ospite dell insetto SAP36? Fitoplasmi: prigionieri di piante ed insetti o manipolatori dei loro ospiti? Evadono sistema immunitario Proteine di membrana? Determinano specificità di trasmissione SAP11 Migliorano la fitness dell insetto
Grazie a Flavio Veratti, Mariangela d Aquilio, Sabrina Palmano, Luciana Galetto, Domenico Bosco, Davide, Paolo, Mahnaz, Majid, Chiara, Romina, Sabrina, Valentina, Alessandra, Paolo e a tutti gli altri che hanno collaborato negli anni a questo lavoro Grazie a voi per l attenzione