Potenziare l'agricoltura sì, ma in modo sostenibile. La ricerca è attualmente molto attiva nello studio di composti alternativi ai principi attivi convenzionali, sicuri, efficaci e affidabili.
Voc, induttori di resistenza e peptidi antimicrobici sono tre diversi tipi di composti promettenti per il controllo biologico delle malattie delle piante, interessanti dal punto di vista della gestione degli stress ambientali e della difesa da agenti patogeni, artropodi erbivori, piante parassite e competitive.
Un argomento all'avanguardia che è stato oggetto di ampio approfondimento durante le lezioni del corso di alta formazione "Biosolution Academy" tenute da Michele Perazzolli dell'Università di Trento, Luigi Lucini dell'Università Cattolica del Sacro Cuore, Monica Colombo dell'Università di Milano e Rita Milvia De Miccolis Angelini dell'Università di Bari.
Cosa sono i Voc e qual è il loro ruolo nel biocontrollo
L'1% dei metaboliti secondari prodotti dalle piante sono composti organici volatili (Voc, volatil organic compounds): piccole molecole idrofobiche che si diffondono liberamente nell'atmosfera oltrepassando le membrane biologiche delle piante grazie al loro basso peso molecolare e all'elevata pressione di vapore.
I Voc vegetali possono essere suddivisi in quattro classi principali: terpenoidi, fenilpropanoidi/benzenoidi, derivati degli acidi grassi e derivati degli amminoacidi non aromatici.
La loro produzione è associata alle risposte delle piante a stimoli biotici e abiotici. È come un sistema di allerta che la pianta usa per chiamare aiuto e attivare meccanismi di difesa. Per esempio, una pianta attaccata da un fitofago può emettere specifici Voc per attrarre parassitoidi e insetti utili che la difenderanno. Questa specie di comunicazione può essere anche a lunga distanza e può coinvolgere sia organi distali della stessa pianta che piante vicine.
Per capire meglio come funzionano questi composti volatili bisogna indagare il loro meccanismo d'azione. I Voc possono innanzitutto indurre priming, vuol dire che la pianta è avvertita anticipatamente di un eventuale danno e assume di conseguenza una maggiore capacità di difesa: potrà rispondere più velocemente e più forte allo stress. Altri meccanismi d'azione sono la trascrizione di geni di difesa e la produzione di sostanze di difesa strutturali e non che inibiscono il microrganismo patogeno.
Un esempio riportato durante le lezioni del corso è quello della vite. Specifici Voc della vite vengono emessi in risposta a uno stimolo esterno. Ci sono Voc con attività inibitoria nei confronti dei patogeni (ad esempio Plasmopara viticola) e responsabili dell'induzione della resistenza delle piante ma anche composti volatili prodotti in risposta a microrganismi benefici.
Contro la peronospora della vite sono stati trovati una serie di composti, maggiormente presenti nei genotipi resistenti piuttosto che in quelli suscettibili. I dati delle ricerche hanno dimostrato che i Voc della vite contribuiscono ai meccanismi di difesa di piante resistenti e possono inibire lo sviluppo dei sintomi della peronospora sia nei tessuti emittenti che in quelli riceventi.
Pensando al futuro, è sicuramente necessaria una migliore comprensione dei meccanismi d'azione dei Voc al fine di sviluppare dei prototipi a base di composti volatili per la protezione delle piante. Il punto più debole sul quale la ricerca dovrà lavorare è la volatilità, svantaggiosa dal punto di vista della persistenza in campo dei composti. Ad oggi, nei primi studi sulle formulazioni, si parla di micro incapsulamento di polimeri organici per un lento rilascio. Queste formulazioni, per ora, possono essere applicate solo nel suolo e in serra perché hanno bisogno di uno spazio abbastanza limitato.
Gli induttori di resistenza, cioè come sfruttare le risposte di difesa delle piante
Le piante possiedono due meccanismi di difesa ai patogeni: le difese passive o costitutive cioè tutte le barriere strutturali e chimiche già presenti e le difese attive o inducibili che rappresentano un sistema di controllo in grado di individuare cellule o molecole estranee innescando una risposta rapida di difesa. Questo è il sistema immunitario delle piante.
Di grande interesse nel mondo del biocontrollo è attualmente il meccanismo delle difese inducibili che si attiva inseguito al riconoscimento del patogeno. Come avviene il riconoscimento? È l'elicitore la molecola segnale, uno specifico composto prodotto direttamente o indirettamente dal patogeno. Ci sono diversi tipi di elicitori:
- i Pamps (pathogen associated molecula patterns) sono quelli aspecifici, ascrivibili cioè ad ampi gruppi di patogeni (ad esempio: frammenti di parete cellulare, frammenti di flagelli, acidi grassi, steroli, acidi nucleici, proteine e glicopeptidi);
- i Mamps (microbe associated molecular patterns) sono quelli specifici per cui la resistenza si esplica nei confronti di un determinato ceppo patogeno (riconoscimento di specifici prodotti genici quali geni di avirulenza Avr del patogeno e geni di resistenza R della pianta);
- i Damps (demage associated molecular patterns) sono quelli endogeni, prodotti dalla pianta in seguito all'interazione con il patogeno (composti associati al danno, ad esempio porzioni della parete cellulare delle piante rilasciate durante l'infezione patogena).
Al riconoscimento fa seguito una cascata di eventi a livello cellulare e biochimico e infine la risposta di difesa vera e propria che può essere di diversi tipi.
La prima è la risposta basale che comprende la produzione di varie molecole ad azione di difesa, ad esempio Pr proteins, fitoalessine e peptidi antimicrobici. Le proteine di patogenesi (pathogenesis related proteins, Pr) sono un insieme di proteine sintetizzate dalla pianta in risposta ad uno stress. Quelle più studiate sono le glucanasi e chitinosi, le prime degradano la parete del batterio o del fungo, le seconde l'esoscheletro dell'insetto. Le fitoalessine sono molecole antimicrobiche a basso peso molecolare che si accumulano nelle cellule vegetali dopo l'infezione microbica. Sono del tutto assenti o poco concentrate nelle piante sane, la loro azione è aspecifica verso un ampio spettro di patogeni e si esplica solo nei primi stadi dell'infezione.
Di seguito c'è la risposta ipersensibile (Hr) che è data dall'apoptosi delle cellule nel sito di infezione. Per apoptosi si intende la morte programmata delle cellule; Hr è, infatti, un meccanismo di difesa basato sul suicido cellulare utilizzato per bloccare il patogeno e preservare la pianta dall'infezione. Al momento del riconoscimento di un elicitore si verifica un bust ossidativo che induce la sintesi di composti tossici e la liquefazione della parete vegetale. Nel contempo si ha la distruzione della membrana cellulare; questo fenomeno viene immediatamente recepito dalle cellule adiacenti con induzione della morte cellulare. Il patogeno è murato tra cellule morte, affamato e avvelenato dalle fitoalessine e da tutte le sostanze tossiche prodotte. Più è rapido il riconoscimento più è veloce Hr, che vuol dire meno cellule coinvolte e lesione più piccola.
Infine c'è l'induzione di resistenza, il fenomeno grazie al quale la pianta, se opportunamente stimolata, acquisisce una sorta di immunità nei confronti dei patogeni virulenti. La resistenza indotta può essere suddivisa in resistenza acquisita sistemica (Sar) e resistenza sistemica indotta (Isr). La Sar si sviluppa localmente o sistematicamente in risposta, ad esempio, a infezioni da patogeni o al trattamento con determinate sostanze chimiche, è efficace contro un'ampia gamma di agenti patogeni ed è mediata da un processo dipendente dall'acido salicilico.
Al contrario, l'Isr si sviluppa come risultato della colonizzazione delle radici delle piante da parte dei rizobatteri che promuovono la crescita delle piante (Pgpr) ed è mediata dagli ormoni jasmonato ed etilene.
Il sistema di difesa della pianta può essere efficientemente sfruttato per il controllo della malattia attraverso lo sviluppo di agenti che possono imitare gli induttori naturali di resistenza. Sono gli elicitori le molecole al centro delle attuali ricerche in questo campo.
Queste molecole sono, infatti, dei veri e propri induttori di resistenza rilasciati durante le prime fasi dell'interazione tra pianta e patogeno. Gli elicitori presi in considerazione includono polimeri di carboidrati, lipidi e glicoproteine, sono secreti da microrganismi o derivano dalle pareti cellulari di funghi, batteri o piante.
L'uso degli induttori di resistenza è una strategia innovativa ancora da validare e ottimizzare nella pratica agricola. Gli elicitori sono stati testati solo in prove sperimentali ma ci si aspettano già diversi vantaggi: controllo dei danni da insetti, funghi e microrganismi, ridotti rischi ambientali, nessun rischio nella creazione di ceppi resistenti, comodità d'applicazione con le attuali tecnologie di irrorazione e in combinazione ad altri mezzi di controllo.
Gli analoghi sintetici dei peptidi antimicrobici
Come già accennato, le piante in risposta ad uno stress abiotico o biotico possono produrre peptidi antimicrobici (Amp). Piccole molecole di natura proteica a basso peso molecolare, largamente diffuse in natura e prodotte da tutti gli organismi viventi (mammiferi, anfibi, insetti, microrganismi e piante). Hanno attività antibatterica, antivirale, antimicotica, antiparassitaria e antitumorale.
Il loro meccanismo d'azione è di due tipi: ci sono i peptidi che agiscono a livello di membrana, e quelli che agiscono all'interno della cellula. I primi, grazie alla loro carica positiva, possono interagire con le membrane cellulari delle cellule bersaglio, a loro volta cariche negativamente, danneggiandole e portandole alla morte. I secondi, invece, possono entrare nelle cellule ospiti e indurre la morte cellulare inibendo processi metabolici chiave, come ad esempio la sintesi delle proteine, degli acidi nucleici, della parete cellulare, ecc.
La ricerca sta attualmente lavorando alla sintesi di questi composti sulla base di quelli presenti in natura. L'obiettivo è quello di testare il loro possibile utilizzo come principi attivi di nuovi fitofarmaci, alternativa a basso rischio agli agrofarmaci convenzionali.
Il caso studio trattato durante del lezioni del corso "Biosolution Academy" è quello della peronospora della vite, Plasmopara viticola. La ricerca ha lavorato all'identificazione di peptidi antimicrobici in grado di inibire l'enzima P. viticola cellulose synthase 2 necessario allo sviluppo del fungo. È stato così trovato il peptide NoPv1 in grado di previene la formazione del tubo germinale di P. viticola e l'infezione delle foglie di vite. Il peptide non influenza la crescita di organismi non bersaglio e non è tossico per le cellule umane.
Lo studio ha inoltre dimostrato che lo stesso peptide è anche in grado di contrastare la crescita di Phytophthora infestans, l'agente causale della peronospora nella patata e nel pomodoro, probabilmente a causa dell'elevata somiglianza degli enzimi dei due funghi.
Il limite principale legato alla sintesi e all'utilizzo di questi prodotti in campo sono gli elevati costi di produzione ancora poco competitivi con quelli degli agrofarmaci convenzionali. Allo stesso tempo però questi peptidi sono promettenti perché potrebbero essere utilizzati in combinazione a composti attivi convenzionali in condizioni di campo e in combinazione con strumenti di agricoltura di precisione.
Biosolution Academy è il corso per la formazione di esperti di alto livello nello sviluppo di alternative ai prodotti chimici di sintesi per la difesa delle piante dagli organismi dannosi (biosolution). È organizzato dall'Università Cattolica del Sacro Cuore e si rivolge a dipendenti di aziende che producono e commercializzano biosolution, agronomi, consulenti e studenti.
Obiettivo di Biosolution Academy è quello di formare una nuova figura professionale, che guarda alle biosolution con una conoscenza profonda e trasversale. L'Academy sarà organizzata tramite una didattica innovativa ed esperienziale, con la collaborazione delle aziende del settore, delle migliori competenze dalla ricerca universitaria e dal mondo professionale.
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AgroNotizie è media partner del corso.
Questo articolo è stato modificato dopo la pubblicazione in data 07 marzo 2022. La parola "pesticidi" nell'ultimo paragrafo, spesso considerata negativa, è stata sostituita dalla parola "agrofarmaci", più in linea con il contesto dell'articolo.
