Stadi nello sviluppo del patogeno Inoculo Penetrazione Infezione Crescita e riproduzione Dispersione del patogeno Sopravvivenza all’inverno e all’estate

Inoculo E’ il momento in cui il patogeno viene in contatto con la pianta Una volta che il patogeno ha raggiunto la superficie dell’ospite, perche’ l’inoculo abbia possibilita’ di proseguire dipende ancora da molti fattori quali la temperatura e l’umidita’ favorevole per la germinazione delle spore, la natura (chimica) della superficie della pianta, la presenza di sostanze inibenti o stimolanti secrete dalla pianta ospite e la presenza di altri microrganismi, spesso antagonisti, che si trovano sulla superficie della pianta

Tipi di inoculo Un inoculo che sopravvive dormiente durante l’inverno o l’estate e causa l’infezione originale in primavera o autunno e’ chiamato inoculo primario e l’infezione primaria. Un inoculo prodotto da una infezione primaria e’ chiamato inoculo secondario e l’infezione secondaria. Generalmente piu’ abbondante l’inoculo primario e più vicino alla pianta più severa e’ la malattia.

La pre-penetrazione Praticamente tutti i patogeni devono innanzitutto portarsi in contatto con la superficie esterna della pianta ospite. Prima che possano penetrare e colonizzare l’ospite, devono rimanere attaccati alla superficie dell’ospite. L’adesione alla superficie avviene attraverso la presenza di materiali adesivi sulla superficie delle spore, batteri e semi che variano in modo significativo nella composizione e nei fattori ambientali che sono necessari per farli diventare adesivi. Da cosa sono composti? Una miscela di polisaccaridi insolubili, glicoproteine, lipidi e materiale fibrillare che quando umidificato diventa “appiccicoso” e aiuta il patogeno ad aderire alla superficie dell’ospite.

L’adesione In alcuni funghi l’idratazione delle spore causa l’estrusione di materiale mucillaginoso dalla punta della spora che serve per l’immediata adesione della spora alla superficie idrofobica della pianta e la resistenza alla rimozione da parte dell’acqua. In altri funghi (powdery mildew) che non richiedono acqua per l’infezione, l’adesione e’ assicurata dal rilascio da parte della spora di enzimi cutinasici che rendono l’area di contatto tra spora e pianta piu’ idrofilica e questo consente di “cementare” l’unione. In altri casi le spore appena entrano in contatto con la superficie dell’ospite iniziano a produrre glicoproteine. Nei patogeni vascolari le spore non aderiscono dopo l’idratazione ma grazie a questa iniziano a “respirare” e a produrre proteine di adesione .

Riconoscimento tra pianta e patogeno

Riconoscimento tra pianta e patogeno I componenti dell’ospite che agiscono come segnali di riconoscimento da parte del patogeno sono numerosi Possono includere diversi tipi di molecole organiche Gli acidi grassi della cuticola che attivano le cutinasi Le molecole di galatturonano proveniente dalla componente pectica della parete e che attivano la pectina liasi Alcune sostanze fenoliche come lo stringolo, che stimola l’attivazione e la germinazione dei propaguli d’infezione Altre sostanze (isoflavoni, zuccheri) rilasciati in seguito a ferita

Riconoscimento tra pianta e patogeno I componenti del patogeno che agiscono come elicitori, cioe’ come segnali di riconoscimento, sono ancora poco studiati Gli elicitori possono essere rilasciati durante la penetrazione del patogeno come le elicitine Alcuni elicitori possono essere rilasciati in seguito a parziale degrdazione della parete cellulare del patogeno, come i b-glucani, I chitosani e la chitina Altri elicitori di patogeni batterici possono essere rappresentati dalle proteine flagellari che sono in grado di stimolare una risposta difensiva da parte della pianta come la riposta ipersensibile Gli elicitori sono determinanti per la cosiddetta “avirulenza” del patogeno Infatti se la pianta riconosce il patogeno, stimola una reazione difensiva e la malattia puo’ essere rallentata o interrotta Se l’elicitore oltrepassa o sopprime le risposte di difesa (non viene riconosciuto) l’ospite non riconosce il patogeno e la malattia puo’ procedere

Germinazione delle spore e percezione dell’ospite Non e’ chiaro cosa stimoli la germinazione delle spore, ma sicuramente giocano un ruolo il contatto con la superficie dell’ospite, l’idratazione e l’assorbimento di molecole a basso peso molecolare dell’ospite e la disponibilita’ dei nutrienti Le spore hanno anche dei meccanismi che prevengono la loro germinazione fino a quando non arrivano gli giusti stimoli oppure quando ci sono troppe spore vicino Il tubetto germinativo e’ una struttura specializzata diversa dal micelio che cresce molto poco e si differenzia nell’appressorio Se non riceve gli stimolo giusti da parte della pianta il tubetto germinativo rimane indifferenziato

Germinazione e modalità di germinazione Definizione e criteri 100% vita attiva: metabolismo normale, vita vegetativa Dormienza Costituzionale: ibernazione, riposo, diapausa Esogena: quiescenza 0% criptobiosi: ametabolismo, anabiosi abiosi, vita latente, anidrobiosi Modalità Per zoospore o indiretta Per tubo germinativo o diretta Per promicelio sul quale si sviluppano gli sporidi (o basidi) A questi possiamo aggiungere altri 2 tipi di germinazione che sono di fatto dei meccanismi di moltiplicazione Per gemmazione Per scissione

Cambiamenti respiratori in spore germinanti Organismo Spore dormienti Spore germinanti QO2 QCO2 RQ Phycomyces blakesleeanus (100 min) 1.9 - 1.0 11.4 Neurospora tetrasperma (4h) 0.4 0.6 15-25 0.65 Puccinia graminis tritici 72h 1.6 1.4 0.7 Aspergillus oryzae (3h) 1.26 1.4-2.2 2.17 0.6-1.0 Aspergillus niger (3h) 1.8 Myrothecium verrucaria (2h) 75 QO2= consumo di ossigeno espresso in mm3/ora per mg di peso secco QCO2= quantità di anidride carbonica emessa, espressa in mm3/ora per mg di peso secco RQ= quoziente respiratorio

Percezione di segnali dalla superficie della pianta Tali segnali sembrano essere il risultato di una “signalling pathway” mediata dal cAMP e dalle MAPK che sono state viste regolare lo sviluppo di fenomeni di patogenesi in molti funghi*

Pathogenesis-related signal transduction In risposta alla presenza della superficie idrofobica dell’ospite un segnale si propaga attraverso la membrana del fungo e, come primo step, accumula delle molecole di segnalazione intracellulare e induce una “cascata” di fosforilazioni In alcuni funghi il recettore di tale segnale e’ una proteina che si trova sulla superficie della membrana, la GCR, G-protein coupled receptor La trasmissione del segnale cAMP procede attraverso l’attivita’ di una protein kinase A (PKA) dipendente dal cAMP con una conseguente fosforilazione di alcune proteine bersaglio Il ruolo principale di PKA nella germinazione consiste nella mobilitazione di riserve lipidiche e carboidratiche verso l’appressorio Anche le MAPK, in particolare K1 o P1, svolgono un ruolo fondamentale nella formazione dell’appressorio in risposta ad un segnale proveniente dalla superficie del’ospite

Formazione e maturazione dell’appressorio Una volta che gli appressori sono formati essi aderiscono saldamente alla superficie fogliare In seguito gli appressori iniziano a secernere enzimi extracellulari, e generano una pressione fisica per penetrare la cuticola I funghi che producono pigmenti melaninici usano soprattutto la “forza fisica” per penetrare al cuticola ed entrare nella pianta La pressione di turgore raggiunta all’interno, grazie all’elevata concentrazione di glicerolo, di un appressorio è 40 volte maggiore di quella di un pneumatico

.. un po’ di definizioni Sorgente d’inoculo: qualsiasi organo vegetale o residuo infetto della vegetazione oppure il terreno albergante il patogeno od i suoi di conservazione Corte d’infezione: qualsiasi organo della pianta che , in condizioni ambientali favorevoli, è suscettibile di essere penetrata dal patogeno Inoculo: è quella frazione della popolazione del patogeno che raggiunge la corte d’infezione Potenziale d’inoculo: è il numero di unità infettive disponibili per l’infezione NTI-numerical treshold of infection- soglia numerica per l’infezione: è la quantità minima d’inoculo necessaria per produrre l’infezione in determinate condizioni ambientali Germinazione: è il processo che conduce al primo stadio irreversibile manifestamente differente dallo stato di dormienza, giudicato in base a criteri fisiologici e morfologici Infezione: è il meccanismo attraverso il quale il patogeno instaura le anomalie fisiologiche e se è un parassita, si procura il nutrimento Latenza: è l’intervallo di tempo che va dall’inizio della malattia alla comparsa del primo sintomo

La penetrazione Il patogeno penetra la superficie della pianta Per diretta penetrazione Attraverso aperture naturali Attraverso ferite Molti organismi in realtà penetrano le cellule di ospiti che non sono suscettibili all’invasione e che non manifestano la malattia In questo caso il microrganismo non può procedere nel suo sviluppo e muore senza produrre la malattia

La penetrazione in funghi… Penetrazione diretta: questo tipo di penetrazione non è esclusiva dei biotrofi, anche patogeni non-specifici (Botrytis) possono in particolari condizioni attuare questo tipo di strategia di penetrazione

Austori

… nematodi Una volta prossimi alla pianta, i nematodi vengono attratti da fattori chimici rilasciati dalle radici (CO2 e aminoacidi) I nematodi possono essere attratti sia da piante ospite che non ospite anche se poi a penetrazione avviene in quelle ospite I nematodi penetrano nella pianta direttamente o attraverso le aperture naturali

… Batteri I batteri penetrano nelle piante principalmente attraverso le ferite e meno frequentemente mediante le aperture naturali e praticamente mai direttamente Le ferite utilizzate dai batteri possono essere “fresche” o vecchie e consistono di tessuti lacerati o morti Questi patogeni possono crescere prima su questi tessuti, produrre tossine e poi avanzare all’interno dei tessuti sani La lacerazione o la morte dei tessuti può essere il prodotto di uno stress ambientale (vento forte, insetti ed erbivori)

e virus.. I virus penetrano grazie a vettori, generalmente insetti oppure grazie alle pratiche colturali operate dall’uomo Alcuni virus sono trasmessi anche dai nematodi, afidi o funghi Questo tipo di patogeno può causare malattie solo se trasportato da vettori

L’infezione È il processo attraverso cui i patogeni stabiliscono contatto con le cellule suscettibili dell’ospite e si procurano nutrienti da queste Durante l’infezione i patogeni crescono e si moltiplicano dentro i tessuti vegetali e invadono la pianta in diverso grado Una infezione riuscita provoca nella pianta infettata aree necrotiche, malformate e scolorite, cioè provoca i sintomi della malattia Non sempre le infezioni sono così evidenti, a volte (casi di batteri e virus) le infezioni sono latenti e non producono sintomi

L’invasione in funghi e batteri I vari patogeni invadono gli ospiti in differenti modi e quantita’ Alcuni funghi, come quelli che causano la scabbia delle mele o il black spot nelle rose hanno una crescita subcuticulare (A) ..altri (powdery mildews) producono micelio soltanto sulla superficie fogliare ma mandano austori nelle cellule epidermiche (B) La maggior parte dei funghi diffondono in tutti in tessuti sia crescendo intercellularmente – C – o intraccelulamente (D) I funghi che causano appassimento vascolare invadono i vasi xilematici (E) cosi come i batteri

…e nei virus e nematodi La maggior parte dei nematodi invade in tessuti intercellularmente ma alcuni le possono anche invadere intracellularmente Molti nematodi non invadono le cellule o I tessuti ma si alimentano “bucando” le cellule epidermiche con i loro stiletti I virus, i viroidi e i protozoi invadono i tessuti muovendosi da cellula a cellula I virus e i viroidi invadono tutti i tipi di cellule vegetali, i protozoi i tubi flolematici e alcune cellule adiacenti Le infezioni causate da questi patogeni sono sistemiche, cioe’ il patogeno partendo da un punto iniziale d’infezione diffonde e invade la maggior parte delle cellule della pianta

La colonizzazione La maggior parte dei funghi patogeni e degli oomiceti producono spore sulla, o poco sotto, la superficie dell’area infettata e sono rilasciate nell’ambiente I plasmosiophoromycetes e i tracheomiceti producono le spore all’interno dei tessuti dell’ospite e queste sono rilasciate al di fuori dei tessuti solo quando l’ospite muore o I tessuti degenerano I batteri si riproducono all’interno dei tessuti vegetali

Riproduzione Il tasso di riproduzione varia considerevolmente tra i vari tipi di patogeno Alcuni funghi producono spore piu’ o meno continuativamente mentre altri le producono in differenti piante In entrambi i casi diverse centinaia di migliaia di spore sono prodotte per ogni cm2 di tessuto infetto Spesso il numero di spore prodotto in una pianta malata supera il trilione! Mentre i batteri si riproducono ogni 20-30 min, quindi milioni di batteri possono essere presenti in una singola goccia del succo cellulare di una pianta infetta. Il numero di virus presente in una singola cellula puo’ variare da 100000 a 10000000. Le femmine di nematodi sono capaci di depositare tra le 300 e le 500 uova per ciclo riproduttivo.

La disseminazione Aria Acqua Insetti la maggior parte degli oomiceti, dei funghi e dei semi delle piante parassite I Le spore di molti funghi sono troppo delicate per sopravvivere nell’aria per piu’ di pochi mentre altre, in particolare quelle delle ruggini, sono molto resistenti I batteri possono essere presenti all’interno sottili striscie di essudati batterici secchi Acqua I batteri, i nematodi e le spore e i frammenti miceliari presenti nel suolo sono dispersi dall’acqua piovana o d’irrigazione Tutti i batteri e le spore di molti funghi sono essudati in liquidi “appiccicosi” che vengono poi sparsi dall’acqua piovana o d’irrigazione Le gocce di pioggia o derivanti da irrigazione fanno precipitare le spore fungine e i batteri presenti nell’aria sulle piante Insetti Gli insetti in particolare, gli afidi, le cavallette e le mosche bianche sono tra I piu’ importanti mezzi di disseminazione di virus, plasmodi e protozoi

La dormienza I patogeni che infettano le piante perenni possono sopravvivere all’interno dei tessuti dei (come i cancri) loro ospiti durante l’inverno o nei periodi di siccita’ I patogeni che infettano piante decidue “svernano” come micelio o come spore all’interno delle foglie cadute I patogeni che infettano le piante annuali usualmente sopravvivono all’interno di residui vegetali morti o come sclerozi nel terreno Alcuni oomiceti (Pythium) e funghi (Fusarium, Rhizoctonia) sono abitanti del suolo e sono capaci di sopravvivere come saprofiti Altri funghi sono transienti del suolo cioe’ sono parassiti piuttosto specializzati che vivono in contatto con il loro ospite e per brevi periodi nel suolo come forme specializzate di resistenza

La dormienza I batteri “svernano” in modo simile a quello dei funghi, all’interno delle piante infette, nei semi, nei tuberi e per alcuni nel suolo I virus e i viroidi e i protozoi sopravvivono solo all’interno dei tessuti viventi della pianta I nematodi invece usano le uova per resistere alla stagione sfavorevole

La dormienza puo’ essere Costituzionale Esogena E’ dovuta a fattori intrinseci della spora, come Spessore dell’episporio (Pythium) Necessita’ di stimoli esterni (estremi termici o sostanze chimiche) Compartimentalizzazione di enzimi (es. Trealasi di N. tetrasperma) Presenza di autoinibitori Esempi di autoinibitori 5, isobutiroxy beta ionone e’ l’autoinibitore dei conidi della Peronospora tabacina (agente della muffa blu del tabacco) Metil-cis ferulato e’ l’autoinibitore presente nelle uredospore di Puccinia graminis Il metil-cis-3,4-dimetossicinnamato e’ l’autoinibitore presente nelle uredospore di Uromyces phaseoli (agente della ruggine del fagiolo) – inibisce l’attivita’ degli enzimi idrolitici specifici del tappo di natura mannoproteica che chiude i pori germinativi Meccanismo d’azione degli autonibitori Creazione di blocchi metabolici per l’inibizione di specifiche reazioni enzimatiche

Dormienza esogena, e’ dovuta a fattori esterni alla spora ed e’ dovuta sostanzialmente a due componenti Origine biologica Origine abiotica La componente biologica presenta le seguenti caratteristiche Viene annulata rapidamente con la sterilizzazione del terreno con mezzi fisici o chimici ma viene ripristinata reinoculando il terreno sterilizzato con altro terreno non sterile Viene neutralizzata aggiungendo al terreno delle sostanze organiche nutritive (zuccheri, peptoni) simili a quelle presenti negli essudato radicali Le diverse specie di funghi differiscono nella sensibilita’ alla fungistasi La componente di natura abiotica Non viene eliminata completamente con la sterilizzazione E’ dovuta a sostanze volatili tra cui etilene, metano, acetldeide o alla presenza di metalli tossici

I cicli di infezione Monociclici Policiclici Polietici I funghi producono spore alla fine della stagione e queste servono come inoculo primario (il solo disponibile) per l’anno successivo Policiclici Il patogeno ha piu’ di una generazione per stagione di crescita e puo’ completare piu’ di ciclo di malattia per anno Polietici In questo caso il patogeno ha bisogno di piu’ di un anno per svolgere un completo ciclo di infezione