BIOLOGIA APPLICATA E BIOTECNOLOGIE AGRARIE

Capitolo 5 - Le piante
e le avversità


Traccia dei contenuti
1 La pianta e gli organismi dannosi
- Struttura e habitat della pianta
- Rapporti con gli organismi dannosi
2 Le difese della pianta
- Meccanismi di autodifesa
- Resistenza
- Riconoscimento del patogeno
- Resistenza indotta
3 La malattia e i danni
- Le condizioni necessarie
- Sintomatologia
- Metodica diagnostica
- Patogenesi
- Epidemiologia
4 Tipi di malattia
- Stress abiotici
- Stress idrici
- Stress termici
- Squilibri nutrizionali
- Ferite, infezioni e compartimentazione

In sintesi
Le avversità che possono colpire una pianta sono causate da fattori ambientali (idrici, termici, nutrizionali, ecc.) e fattori biotici, rappresentati da agenti di malattia (virus, batteri, funghi) e da agenti di danno (insetti, acari, nematodi, uccelli e mammiferi).
Contro di essi la pianta adotta meccanismi di difesa passivi e attivi. Se l'evento morboso si è instaurato, i compiti del fitopatologo riguardano sintomatologia e diagnosi, eziologia (cioè le cause che hanno portato all’evento morboso), patogenesi dell’evento morboso, epidemiologia.
Abstract
Chapter 5 - The plant and thè noxious organisms
Adversities which may affect a plant are caused by environmental factors (water, thermal, nutritional, etc.) and biotic factors, that is disease hearing agents (viruses, bacteria, fungi) and damage agents (insects, mites, nematodes, birds and mammals).
The plant employs passive and active means of defense against them. If the disease begins, the phytopathologist’s tasks concern symptomatology and diagnosis, aetiology the causes of the disease pathogenesis of the disease, epidemiology.

La pianta e gli organismi dannosi

Struttura e habitat della pianta

Le piante coltivate a scopo alimentare e ornamentale, o comunque economico, appartengono, salvo qualche rara eccezione, alle Spermatofite, ossia piante che hanno la struttura del cormo, comprendente una parte ipogea, che consiste nell’apparato radicale, e una parte epigea che consiste in fusto, foglie e strutture riproduttive; quelle che hanno importanza agroalimentare sono le Angiosperme, con fiori, frutti e semi.
La pianta coltivata, pertanto, si sviluppa e condivide due ambienti fìsici diversi:
- il terreno, dove si estende l’apparato radicale;
-  l’atmosfera, dove si erge il fusto che porta rami, foglie, fiori e frutti.
L'habitat della pianta coltivata, in conclusione, comprende uno strato di terreno (profondo in linea di massima non più di un metro e mezzo) che costituisce la zona della rizosfera (occupata dalle radici), e uno spazio aereo, detto fillosfera (comprendente foglie, fiori, frutti). Negli alberi la parte epigea comprende una zona intermedia legnosa, data dal tronco, detta anche sfera delle strutture legnose.


Rappresentazione delle tre “sfere” di interesse fitopatologico
La fillosfera
La sottile pellicola che si interfaccia tra la superfìcie di foglie, frutti e fiori e il mezzo atmosferico (detta appunto fìllosfera) supporta intense attività fìsiche e biologiche ed è sede di interscambi tra patogeno e pianta. Quest’ultima vi riversa essudati di varia natura, residui metabolici e sali minerali che vengono portati in soluzione sia dall’umidità dell’aria sia dall’emissione fisiologica di acqua in forma di vapore o liquida, per traspirazione e guttazione; nella fìllosfera si trovano poi residui organici quali cellule tegumentali morte, resti delle parti dei fiori, materiali esogeni trasportati da vento e pioggia, oltre ai prodotti gassosi delle attività di fotosintesi e respirazione. Tale ambiente è in grado di sostenere una sorta di microecosistema, con presenza di forme di vita specifiche come i batteri, che possono entrare nel gioco delle relazioni tra pianta e patogeni. Ad esempio si è osservato come la femmina della mosca delle olive si alimenta con la flora batterica vivente sulla fìllosfera traendone maggiore fecondità; al contrario, il fungo che causa il brusone del riso viene ostacolato dalla presenza di colonie batteriche.

La rizosfera
Anche questo ambiente, sotterraneo, è sede di numerosi processi fisiologici da parte della pianta e quindi di emissioni radicali che diventano parte integrante del terreno come: l'anidride carbonica proveniente dalla respirazione; gli essudati liquidi e volatili prodotti dall’attività cellulare; i residui di materiali organici quali, ad esempio, le cellule morte. Questi materiali sono più abbondanti di quelli prodotti a livello della fìllosfera in quanto i peli radicali vengono continuamente rinnovati; inoltre, con l’accrescimento radicale si formano scorie di varia natura (mucillagini, ecc.).
Il tessuto corticale, essendo deputato all’assorbimento dell’acqua e dei nutrienti disciolti nel terreno, non presenta rivestimenti protettivi particolari: pertanto, entra facilmente in intimo contatto con gli organismi presenti nel terreno, che possono essere saprofìti e parassiti, ma anche in rapporti simbiotici con flora batterica e funghi (micorrize).

La sfera legnosa
La corteccia degli alberi viene continuamente rinnovata con l’accrescimento secondario: pertanto la superfìcie esterna è formata sostanzialmente da tessuto morto, che costituisce un habitat adatto a un’ampia flora (soprattutto licheni, ma talvolta anche muschi e funghi, con la relativa microfauna).

I contatti con l’ambiente esterno
Il corpo della pianta presenta una superfìcie a contatto con l’esterno, da cui è separata a mezzo di rivestimenti di materiali tissutali che possono variare in rapporto alla tipologia della pianta coltivata o semplicemente al suo stadio di crescita (che può essere lo stadio erbaceo o quello legnoso).
Le piante erbacee e le foglie di quelle arbustive e arboree posseggono una cuticola, spessa solitamente non più di 1 micrometro, ricoperta esternamente da uno strato ceroso, la pruina.
La cuticola si àncora alla parete delle cellule dell’epidermide insinuandosi tra le pareti radiali con i cosiddetti chiodi; il materiale di cui è fatta è detto cutina ed è composto da grassi idrossilati e polimerizzati: è quindi una sostanza idrofoba, più o meno ispessita a seconda dell'habitat della specie botanica (spessa nelle xerofìtiche degli ambienti secchi, sottile in quelle che vivono in ambienti ombrosi e umidi). La cutina è certamente resistente e costituisce la naturale barriera all’ingresso di organismi infettivi, ma può anche essere distrutta da enzimi prodotti dagli agenti patogeni. Inoltre, sulla superfìcie di rivestimento vi sono soluzioni di continuità naturali e indispensabili per regolare le attività fisiologiche essenziali alla pianta, rappresentate soprattutto dagli stomi, ma anche da idatodi e tricomi, potenziali vie di ingresso che sono in effetti sfruttate dai patogeni.
Nelle piante arboree il tronco è rivestito dalla corteccia o periderma. Essa è formata nell’insieme da un tessuto del fusto, il fellogeno, il quale produce verso l’esterno il fellema, o sughero, e all’interno il felloderma. Il sughero è un tessuto tegumentale pluristratificato, le cui cellule sono impregnate di suberina, una sostanza impermeabile come la cutina. In quanto tessuto di rivestimento, il sughero non presenta spazi intercellulari, ovvero soluzioni di continuità verso l’ambiente esterno; tuttavia, come nell’epidermide, sono presenti aperture naturali che permettono gli scambi gassosi, chiamate lenticelle, che possono essere utilizzate dai parassiti. Dunque, la corteccia costituisce un involucro protettivo la cui integrità, al pari di quella della cutina, costituisce una barriera per i patogeni e una garanzia di salute per la pianta.
Altre soluzioni di continuità naturali nella superficie di separazione tra ambiente esterno e corpo interno della pianta si trovano in particolare sugli organi fiorali: stigmi, nettarii, microferite fisiologiche da deiscenza delle antere.
Salute e produttività delle piante dipendono, ovviamente, oltre che dall’integrità fisica e da un’idonea disponibilità di luce, acqua ed elementi nutritivi, anche dal regolare svolgersi dei processi fisiologici e dell’attività metabolica. La pianta è un organismo autotrofo, con crescita di tipo aperto, fisso al suolo: non può spostarsi alla ricerca di migliori condizioni o sottrarsi a interferenze di agenti abiotici e biotici, ma può solo adattarsi. Tramite le radici assorbe l’acqua e gli elementi minerali nutritivi che vi sono disciolti. L’acqua risale lungo il fusto, attraverso i vasi legnosi, raggiungendo l’apparato fotosintetico, costituito essenzialmente dalle foglie e dalle parti verdi dei germogli. Da qui la linfa elaborata si ridistribuisce ai vari distretti ridiscendendo fino alle radici attraverso i vasi cribrosi. Ai fini della sopravvivenza vegetativa della pianta, radici, fusto e foglie devono poter funzionare sempre e contemporaneamente, poiché una compromissione grave di uno solo di questi organi metterebbe a rischio la vita stessa della pianta.
Molte piante di interesse agroalimentare vengono coltivate non per sfruttare la loro massa, ma per raccoglierne alcune parti, in particolare le fruttificazioni: in questo caso l’attività riproduttiva delle piante coltivate coincide, dal nostro punto di vista, con l’aspetto economico-produttivo.
Di conseguenza molte avversità non si riferiscono solo a compromissioni della salute della pianta come organismo, ma riguardano anche le alterazioni e i danni a carico dei frutti, sia quando sono sulla pianta sia quando vengono successivamente immagazzinati come derrate alimentari. Nel settore floricolo e delle piante ornamentali in genere, sono oggetto di provvedimenti di lotta anche quelle alterazioni che pregiudicano l’aspetto esteticoornamentale del fiore o della pianta e talvolta anche del frutto, anche quando non sono gravi per la pianta. In questo caso l’aspetto esteriore della pianta è in stretta correlazione con il valore commerciale del prodotto.


Maculature fogliari (inglese: Leaf spot) su foglia di iris da Mycosphaerella macrospora.

Rapporti con gli organismi dannosi

La pianta è sottoposta a incessanti attacchi da parte di organismi parassiti ostili e a questi si oppone sviluppando diversificate strategie di difesa.
In natura, pianta e patogeni convivono: la coevoluzione tra ospite e parassita ha portato a un equilibrio tale per cui la pianta raramente muore e l’incidenza delle malattie è bassa. In agricoltura, invece, la coltivazione forzata, intensiva o estensiva di poche specie, se non di particolari varietà, ha rotto ogni equilibrio naturale.
Gli organismi nocivi alle piante vengono usualmente suddivisi in agenti di malattia e agenti di danno. I primi causano nell’ospite una situazione di continuata irritazione, deviazioni o sconvolgimenti della normale funzionalità, insomma uno stato di sofferenza che noi chiamiamo malattia. La disciplina che si occupa delle malattie delle piante (includendo nel termine di “malattia" anche le alterazioni dovute ad agenti non infettivi, ossia a cause fisiologiche e nutrizionali, o a fattori ambientali ostili, o a effetti della tossicità di sostanze chimiche) è la Patologia vegetale e a essa facciamo essenzialmente riferimento nell’introdurre i concetti generali sulle malattie delle piante.


Disseccamenti di rametti (Twig blight) su carissa da Phoma exigua.

Le malattie delle piante causate da agenti biotici oggetto di studio in ambito fìtopatologico sono:
-   malattie da virus e viroidi (virosi);
-   malattie dafìtoplasmi (fitoplasmosi);
-   malattie da batteri (batteriosi);
-   malattie fungine (micopatie);
-  malattie da fanerogame parassite.
Con l’espressione agenti di danno si comprendono in realtà tutti quei fattori che possono provocare un danno alle coltivazioni, sia di natura biologica che abiotici (ad es. fattori meteorici come la grandine). Gli agenti di danno biotici sono rappresentati innanzitutto da insetti, poi da acari e nematodi, e in misura molto minore da altri gruppi di animali. Lo studio degli insetti dannosi all’agricoltura è compito dell’Entomologia agraria o applicata, quello degli altri animali più propriamente dell’Acarologia, Nematologia e Zoologia agraria.
La maggior parte dei patogeni colpisce una singola parte o specifici organi della pianta provocando sintomi caratteristici cosicché, come avremo occasione di esaminare in seguito, nella pratica diagnostica (in particolare quella in lingua inglese) è piuttosto usuale abbinare il nome dell’organo attaccato al tipo di alterazione provocata.


(a) Apoplessia (Dieback) sulle parti aeree di avocado per attacco al colletto da Phytophthora cinnamomi; (b) gli effetti sono evidenti a livello del colletto.


Marciume b radicale (Root rot) su cavolfiore da Rhizoctonia solani.


Muffa grigia (Botrytis cinerea) su ciclamino, patogeno necrotrofico.


Disseccamenti su pomodoro provocati dalla peronospora (Phytophthora infestans), patogeno emibiotrofico

2 Le difese della pianta

Meccanismi di autodifesa

La pianta possiede un sistema biologico di vigilanza su quanto di estraneo venga in intimo contatto con lei, capace di raccogliere e coordinare una pluralità di messaggi distinguendo i patogeni dagli organismi simbionti.
Quando un organismo geneticamente incompatibile viene riconosciuto, l’attivazione dei meccanismi di difesa si svolge in modo coordinato nel tempo e nello spazio: vengono sollecitati numerosi geni deputati all’autodifesa, con relativa attivazione di enzimi già presenti e produzione di sostanze messaggere in grado di coordinare la sequenza di azioni di difesa.

Resistenza

Nelle piante la capacità di impedire le infezioni può essere offerta da barriere istologiche o di tipo chimico: si tratta di difese precostituite, che rappresentano una prima linea di opposizione stabile e sempre in funzione senza consumo di energia; esse prendono il nome di difese passive o costitutive o preinfezionali.
Le difese attive o inducibili o postinfezionali sono, invece, quelle che entrano in azione nel momento in cui la pianta riconosce il patogeno e si oppone a esso.
La capacità della pianta di opporsi alla malattia o all’agente di danno è detta resistenza, mentre la tolleranza è la capacità dell’ospite di sopportare lo sviluppo del patogeno senza subire danni apprezzabili.

Difese passive
Le difese passive di natura istologica sono rappresentate dalle sostanze che rivestono le superfìci della pianta, in particolare le cere epicuticolari e lo strato cuticolare, fortemente impregnato di cutina, che ispessisce e ricopre la parete tangenziale esterna delle cellule epidermiche fungendo da schermo contro la penetrazione degli agenti infettivi. Contribuiscono alla difesa anche i peli, o tricomi, formazioni anatomiche morte e piene d’aria che solitamente si originano dalle cellule epidermiche, i quali, oltre ad assolvere funzioni fisiologiche, rendono disagevole ai patogeni colonizzare la superfìcie fogliare.


Raffigurazione schematica della superficie di una foglia: le cellule epidermiche, di dimensioni piuttosto grandi e di forma regolare, presentano una parete tangenziale esterna cutinizzata e più o meno ricoperta da sostanze varie con preponderanza di cutina; questa pellicola, cui viene dato il nome di cuticola, è ancorata fortemente alla parete cellulare e si insinua lungo le pareti radiali con espansioni dette chiodi. La cutina è formata da acidi grassi idrossilati e polimerizzati che la rendono sostanza idrofoba


Strati della superficie di due diverse varietà di pomodoro visti in sezione trasversale: (a) struttura di una varietà povera di rivestimento cutinico e suscettibile alla muffa grigia (Botrytis cinerea); (b) struttura di una varietà resistente in virtù del forte spessore della cuticola, difficilmente superabile da parte della botrite.

Altre barriere strutturali possono essere date dalla conformazione degli stomi: in questo caso l’ostacolo è offerto dallo spessore delle rime delle cellule di guardia dello stoma, che fungono da sopraelevazione non sormontabile dal tubetto germinativo del patogeno.
Le difese costitutive di natura chimica sono rappresentate da composti chimici a generica attività antimicrobica, presenti come tali nelle cellule della pianta o come precursori che, entrando in contatto con il patogeno, automaticamente si convertono in forma biologicamente attiva. Tra le sostanze precostituite meglio conosciute, utili nella difesa chimica passiva, menzioniamo le saponine, i polifenoli, i glucosilati. I precursori sono molecole di tipo proteico con diversificate modalità di azione (ad esempio, inibizione della crescita di funghi e/o batteri, lisi della parete batterica, digestione della parete fungina).

Difese attive
Se il patogeno riesce a superare le difese precostituite, entra a diretto contatto con l’ospite producendo uno stress, a fronte del quale la pianta reagisce attraverso una serie di eventi a cascata indirizzati contro il patogeno stesso. Si tratta di una difesa essenzialmente attiva e di tipo biochimico, ma non mancano esempi di reazioni di tipo istologico postinfezionali.
Così, ad esempio, la formazione di ispessimenti della parete delle cellule dell’epidermide oppure di cordoni peridermici è un meccanismo di difesa istogena che si verifica durante la penetrazione da parte di ife miceliali nell’epidermide dell’ospite.


Nell’infezione causata dal micete Coryneum beijerinckii (al centro nel disegno, con raffigurazione dei conidi fusiformi plurisettati fuoriuscenti dallo stoma sottoepidermico) sulle foglie delle drupacee, il sito iniziale di infezione viene perimetrato, a una distanza di una ventina di cellule, da un meristema secondario. Esso isola e priva di nutrimento l’area interna, che alla fine necrotizza e si distacca impedendo contestualmente lo sviluppo del fungo e la diffusione delle sue tossine.

Nelle infezioni dei vasi legnosi è possibile osservare invece produzione di gomme e comparsa di tilli, appendici tondeggianti che tendono a occludere il lume dei vasi e che sono interpretate come una reazione della pianta finalizzata a ostacolare la diffusione intravasale (all’interno dei vasi della pianta) del patogeno.
L’attacco dei patogeni attiva nelle cellule della pianta una serie di risposte suddividibili in: immediate; locali; sistemiche.


Schema illustrativo semplificato della sequenza in ordine cronologico delle risposte della pianta all’aggressione di un patogeno: la c.d. reazione di ipersensibilità, ossia le macchie necrotiche, è legata al fenomeno della morte cellulare programmata (PCD). Localmente vengono poi prodotte, per espressione di geni deputati alla difesa, proteine di patogenesi (PR) ad attività enzimatica antifungina; inoltre si formano altri composti, come l’etilene e l’acido salicilico (SA), implicati questi ultimi nei fenomeni della “resistenza sistemica indotta” (ISR) e nella “resistenza sistemica acquisita” (SAR).

Viene inoltre prodotta una serie di sostanze messaggere atte a garantire il coordinamento nello spazio e nel tempo delle risposte difensive.
Tra i meccanismi di risposte attive a livello locale meglio conosciuti e studiati, vi sono i fenomeni collegati alle specie reattive dell’ossigeno (ROS = Reacting Oxygen Species), alla biosintesi di sostanze di difesa, alla reazione di ipersensibilità.
Contro gli insetti le piante adottano diverse strategie, spesso con produzione attiva di sostanze chimiche: ad esempio, la patata selvatica si difende dagli afidi sintetizzando una molecola simile a quella che gli stessi afidi liberano quando vengono a loro volta attaccati da predatori, per avvisare del pericolo il resto della colonia: in questo modo quelli presenti sulla patata, ingannati dal segnale, abbandonano subito l’ospite.
Un particolare salice, Salixsitchensis, allorché è attaccato da certe larve defogliatrici, è in grado di modificare la qualità alimentare delle proprie foglie che diventano sgradite ai parassiti; addirittura questo fenomeno si trasmette agli alberi vicini della stessa specie, probabilmente tramite una sostanza messaggera volatile capace di diffondersi dall’albero assoggettato all’attacco iniziale.


Le piante mettono in atto strategie diversificate contro gli insetti fitofagi. (a) Salice, (b) patata.
 

Riconoscimento del patogeno

Vi sono particolari strutture o molecole dei patogeni, dette elicitori, che vengono riconosciute dai recettori della pianta: il riconoscimento si concretizza in forma di segnali biochimici che inducono la trascrizione dei geni di difesa. L’elicitore può avere caratteristiche di aspecifìcità e allora si avrà una resistenza non ospitespecifica, che è la forma di resistenza più diffusa; se invece il riconoscimento è specifico, ossia la pianta (a livello di cultivar) riconosce quello specifico patogeno (a livello di varietà o ceppo), si ha una resistenza ospitespecifica.
Un’interpretazione del riconoscimento del patogeno è offerta dalla teoria di H.H. Fior, cosiddetta del “gene per un gene (geneforgene relationship), sviluppata già a partire dagli anni '40 del Novecento e tuttora sostanzialmente valida: essa spiega il fenomeno della resistenza attribuendo alla pianta ospite un gene dominante di resistenza e al patogeno un complementare gene dominante di avirulenza; diversamente, se non sono presenti questi geni, si instaura un rapporto di compatibilità con sviluppo della malattia.


Rappresentazione del modello di H.H. Flor “gene per un gene”. Affinché vi sia resistenza all’infezione, occorre che al gene 1 della resistenza dell’ospite (R = dominante; r = recessivo) corrisponda il gene 1 dell’avirulenza del virus (Avr = dominante; avr = recessivo); in tutte le altre combinazioni si ha compatibilità con l’infezione.

Il silenziamento genetico
Ricordiamo infine, un fenomeno di ampio interesse biologico, il silenziamento genetico: è collegabile anche alla resistenza, in particolare nelle infezioni da elementi di natura virale. Le cellule degli eucarioti non contengono abitualmente RNA a doppio filamento e l’introduzione di questo tipo di RNA attiva un meccanismo di distruzione del RNA citoplasmatico. Nella patogenesi da virus, tali particelle (a genoma composto da RNA a doppio e singolo filamento) nella fase di replicazione vengono trascritte come RNA a doppio filamento e dunque sono riconosciute con innesco del silenziamento che le distrugge, o meglio le distruggerebbe in quanto, a loro volta, i virus tendono a sviluppare strategie di elusione (proteine antisilenziamento).

Resistenza indotta

La pianta può sviluppare nei confronti di un patogeno, con il quale sia entrata precedentemente in contatto, una forma di resistenza detta resistenza indotta o acquisita, che si può manifestare in più forme, fra le quali è particolarmente importante la resistenza sistemica acquisita (SAR = Systemic Acquired Resistancé).
La SAR è inducibile da un vasto novero di patogeni appartenenti a funghi, batteri, virus e simili, e si manifesta quando è trascorso un certo periodo di tempo, solitamente dell’ordine di giorni, dal contatto infettivo. È inoltre assolutamente necessario l’acido salicilico (SA), che stimola l’invio di un segnale molecolare in grado di indurre la sintesi di proteine di difesa PR e di inibire l’azione di enzimi che degradano il perossido di ossigeno (una specie ROS che interviene nei processi di difesa). La SAR può essere provocata anche artificialmente tramite composti che simulano gli elicitori naturali (ad esempio il benzotiodiazolo, un derivato del quale, l’acibenzolar-S-metile, è disponibile come agrofarmaco).


Nel fenomeno della SAR (resistenza sistemica acquisita) si ha produzione di SA (acido salicilico), sia localmente dove si è insediato il patogeno sia a distanza tramite un messaggero chimico che si diffonde nel floema. Viene prodotto anche il composto volatile MeSA (acido metilsalicilico): tali segnali inducono la sintesi di proteine atte a contrastare il processo infettivo nelle parti della pianta non ancora attaccate.

BIOLOGIA APPLICATA E BIOTECNOLOGIE AGRARIE
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