Continuano le lezioni del corso di alta formazione "Biosolution Academy" e questa volta si parla di procarioti e nematodi, utili agenti per il biocontrollo (Bca, biological control agent) delle malattie delle piante.
I procarioti utilizzati come Bca, sono organismi viventi in grado di controllare un ampio spettro di malattie batteriche e fungine. I nematodi invece sono molto conosciuti come fitopatogeni ma diverse specie sono predatori o entomoparassiti e possono essere usate come bioinsetticidi non tossici per i vertebrati e l'ambiente.
Entrambi gli organismi se inseriti in una buona strategia agronomica possono essere strumenti sostenibili per ridurre l'uso di fitofarmaci di sintesi e migliorare la salute del suolo e delle piante.
Le lezioni sono state tenute da Giorgio Balestra professore di Patologia vegetale presso il Dipartimento di Scienze Agrarie e Forestali dell'Università della Tuscia e da Eustachio Tarasco professore di Entomologia presso il Dipartimento di Scienze del Suolo, della Pianta e degli Alimenti (Disspa) dell'Università degli Studi Aldo Moro di Bari e presidente della Società Italiana di Nematologia.
Procarioti: biologia e meccanismi d'azione
I batteri sono organismi unicellulari microscopici con una struttura cellulare molto semplice: una capsula esterna avvolge la cellula e separa la parete cellulare dall'ambiente esterno. La parte cellulare conferisce forma e rigidità alla cellula e in funzione della sua diversa struttura e composizione chimica i batteri vengono suddivisi in due gruppi: gram positivi e gram negativi.
Si dividono anche tra sporigeni (esempio Bacillus spp.) e non sporigeni (esempio Pseudomonas spp.) a seconda che possano differenziare o meno forme di resistenza per superare gli stress ambientali. Si parla di secoli di sopravvivenza: il materiale genetico del batterio è racchiuso all'interno della spora fino a quando le condizioni ambientali non sono favorevoli e la spora può così prontamente germinare e tornare allo stadio vegetativo.
In campo agrario alcuni batteri possono essere utilizzati per contrastare altri organismi, agendo con meccanismi d'azione molto simili a quelli di funghi e oomiceti agenti di biocontrollo: iperparassitismo, antibiosi, competizione e induzione di resistenza.
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Se il parassitismo prevede l'interazione diretta tra due organismi in cui uno (parassita) acquisisce nutrienti dall'altro (ospite), l'iperparassitismo è quella forma di parassitismo in cui l'ospite è a sua volta un parassita di un altro organismo.
Nell'antibiosi metaboliti secondari prodotti da un batterio possono danneggiare altri microrganismi. Queste sostanze possono avere un'azione biostatica quando bloccano la crescita del microrganismo e quindi contengono lo sviluppo di una popolazione o biocida se uccidono le cellule e quindi abbattono l'intera popolazione.
Tra i principali composti ad attività antibiotica prodotti dai batteri c'è il Dapg (2,4 – diacetylphloroglucinol) produtto da Pseudomonas spp. che ha uno spettro d'azione molto ampio perché agisce sia contro batteri che contro funghi e nematodi. Danneggia le membrane, disturba le catene di trasporto degli elettroni dei mitocondri e inibisce l'attività Atp-asica.
I batteri Pseudomonas, Streptomyces, Brevibacterium, Burkholderia, Nocardia possono produrre fenazine che agiscono contro batteri e funghi inibendo il trasporto di elettroni e quindi la respirazione cellulare. Le iturine sono prodotte da Bacillus subtilis in difesa dai funghi e agisce alterando la membrana plasmatica.
Tra i metaboliti secondari ci sono anche i composti volatili: volatile organic compounds (Vocs). Sono a base di carbonio e sono caratterizzati da un'alta pressione di vapore e un basso punto di ebollizione. Numerosi studi hanno dimostrato come i Vocs possono essere dei forti induttori della resistenza sistemica acquisita (Isr).
Per quanto riguarda la competizione si possono verificare diverse situazione a seconda dell'apporto nutrizionale. Ad esempio, i siderofori, come la pioverdina, sono molecole importanti per lo ione ferrico, quando prodotte permettono di sottrarre ferro alle popolazioni batteriche fitopatogene. Ci sono poi batteri che solubilizzano il fosforo (come Enterobacter, Bacillus, Pseudomonas), batteri azotofissatori (come Rhizobium) e nitrificanti.
L'induzione di resistenza nel caso dei batteri si attiva principalmente attraverso la flagellina batterica cioè la proteina che costituisce il flagello dei batteri ma ci sono anche i lipopolissacaridi, i glicani e i peptidoglicani e i composti volatili prodotti dai generi Bacillus e Pseudomonas. Tutte sostanze che vengono riconosciute dalla pianta e inducono la resistenza.
Principali generi e specie di batteri agenti di biocontrollo
Bacillus spp.
Nel genere Bacillus spp. ci sono le specie più utilizzate anche contro i nematodi fitopatogeni. Sono gram positivi e sporigeni, aerobi o anaerobi facoltativi, hanno una forma bastoncellare e sono ubiquitari. Tutte queste caratteristiche li rendono dei microrganismi particolarmente facili da utilizzare perché adattabili a diverse condizioni e particolarmente resistenti agli stress ambientali.
Per il biocontrollo ci sono le specie: B. subtilis, B. amyloliquefaciens, B. firmus, B. pumilus. Competono nella rizosfera per spazio e nutrienti, producono lipopeptidi, iturine, fengicine, surfactine capaci di generare antibiosi e biosurfattanti che inducono resistenza.
Sono efficaci contro un largo spettro di patogeni vegetali e possono essere usati sia tramite applicazione fogliare che tramite applicazioni radicali prima del trapianto. Hanno una lunga shelf life a temperature ambiente perché sporigeni e si coltivano facilmente con costi di produzione relativamente contenuti rispetto ad agenti di biocontrollo fungini.
Pseudomonas spp.
Sono ben adattati a vivere nella rizosfera, in particolare le specie: P. fluorescens, P. protegens, P. putida, P. chloraphis. Producono un ampio spettro di metaboliti antibiotici (pioverdina, sufracina e fenazina), siderofori e Vocs. e sono comunemente usati per trattare semi e radici di piante prima del trapianto, anche tuberi e bulbi.
Sono vantaggiosi perché in vitro crescono rapidamente, possono essere prodotti in modo massivo a costi contenuti e sono compatibili con alcuni fungicidi. Tra i limiti c'è però la bassa shelf life in quanto organismi non sporigeni.
Pseudomonas fluorescens per esempio controlla funghi (Fusarium oxysporum, Rhizoctonia solani, Helminthosporium sp.), batteri (P. syringae pv. phaseolicola, P. syringae pv. lachrymans) e virus (Tobacco necrosis virus).
Altri generi importanti per il biocontrtollo sono Burkholderia spp. molto comune nel suolo, Pantoea spp. le cui specie sono utilizzate contro il colpo di fuoco batterico delle pomacee in melo e pero, e Streptomyces spp. i cui ceppi possono essere usati come agenti antifungini per serre, vivai, tappeti erbosi e in piano campo contro diversi funghi patogeni (Fusarium, Rhizoctonia, Pythium, Phytophthora, ecc.).
Per conoscere le formulazioni microbiologiche con attività di controllo biologico in Italia, in Ue e in extra Ue si rimanda alla banca dati dei prodotti fitosanitari del Ministero della Salute.
Perché usare i batteri per il controllo delle malattie delle piante? Innanzitutto possono produrre spore e così gestire il problema della shelf file, il più importante quando si utilizzano organismi vivi per la difesa. Inoltre i batteri sono ubiquitari e quindi adattabili a diverse condizioni, possono essere molto competitivi ed efficaci e utilizzano diversi meccanismi d'azione anche contemporaneamente riducendo il rischio di resistenze.
Nematodi per il biocontrollo
Il padre della nematologia degli Stati Uniti, Nathan Cobb, nel 1914 diceva: “Se fosse rimossa tutta la materia dell'Universo a eccezione dei nematodi, il nostro mondo sarebbe ancora vagamente riconoscibile e se potessimo visitarlo potremmo trovare le sue montagne, colline, valli, fiumi, laghi e oceani rappresentati da una sottile pellicola di nematodi".
Sono organismi di grande successo ecologico ed evolutivo. Sono molto numerosi: si stima che esistano 500mila specie ma fino ad ora ne sono state descritte solo 80mila. I nematodi sono vermi cilindrici ubiquitari che possono vivere liberi o a carico di piante (nematodi fitoparassiti) e animali (invertebrati e vertebrati).
Esempio di anatomia di un nematode
(Fonte foto: Biosolution Academy)
Sono mediamente piccoli: lunghi tra 1 e 2 millimetri e spessi meno di 100 micrometri. Morfologicamente sono molto semplici: non hanno appendici e nemmeno un sistema circolatorio e respiratorio. Respirano attraverso il tegumento esterno e per questo motivo necessitano sempre di umidità e di un film d'acqua per respirare e muoversi. Il sangue invece si chiama liquido pseudocelomatico e circola in una cavità detta pseudoceloma.
Il loro ciclo di vita si divide in diverse fasi: uovo, quattro stadi larvali e adulto con sessi separati.
I nematodi parassiti delle piante hanno un apparato boccale con stiletti che perfora le pareti cellulari delle radici delle piante. Così si alimentano dei succhi vegetali e sulle piante causano deperimenti, ingiallimenti, appassimenti e formazione di galle.
I nematodi predatori, entomoparassiti e entomopatogeni sono quelli che interessano il biocontrollo. I predatori possono appartenere a due ordini, quello dei Mononchida e quello dei Dorylaimida che succhiano i contenuti interni delle vittime, generalmente altri nematodi fitofagi.
Gli entomopatogeni sono antagonisti di numerosissimi insetti. Le famiglie più importanti sono Steinernematidae e Heterorhabditidae. Al momento si conoscono più di cento specie diffuse in natura, soprattutto nel suolo.
La ragione della loro infettività è la simbiosi mutualistica rispettivamente con i batteri appartenenti ai generi Xenorhabdus e Photorhabdus. I nematodi penetrano nell'ospite attraverso aperture naturali come la bocca o l'apertura anale e rilasciano i batteri nell'emolinfa dell'insetto dove si moltiplicano producendo tossine, enzimi e antibiotici. I batteri trasformano i tessuti dell'insetto in un "brodo nutritivo", ideale per lo sviluppo dei nematodi (dalle due alle tre generazioni).
Quando finisce il cibo i nematodi abbandonano il cadavere e sono pronti a infestare un nuovo ospite. Uccidere subito l'insetto non sarebbe vantaggioso per il nematode, per questo utilizzano i batteri che a loro volta sfruttano i vermi solo come mezzo di trasporto e protezione.
I nematodi possono essere prodotti sia in vitro che in vivo, infatti molte aziende ne stanno approfittando per autoprodurseli. Nelle biofabbriche si utilizzano grossi fermentatori dove viene preparato un substrato nutritivo inoculato con batteri dove i nematodi crescono e proliferano. Per utilizzarli nei trattamenti insetticidi sono venduti disidratati, una volta messi in acqua si reidratano e sono pronti all'uso.
Le specie attualmente in commercio sono: Steinernema carpocapsae, S. kraussei, S. feltiae (parassiti delle mosche appartenenti alla famiglia Sciaridae), S. glaseri (parassiti delle larve di coleotteri), S. riobrave, S. scapterisci (parassiti del grillo talpa), Heterorhabditis bacteriophora, H. megidis, Phasmarhabditis hermaphrodita (parassiti di molluschi).
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