4.65.7.2 Modalità di infezione e genetica della resistenza
Fusarium culmorum sopravvive come saprofita nel suolo, o come parassita sui detriti delle colture dove il fungo produce macroconidi, la fonte primaria di inoculo per le malattie da FHB/ear rot. I macroconidi sono depositati sulle sete del mais o sui fiori dei cereali a chicco piccolo dal vento o dagli spruzzi di pioggia e l’infezione avviene per penetrazione diretta degli ifali nel tessuto della pianta o attraverso gli stomi. Il patogeno può anche essere trasmesso sistematicamente da semi infetti. L’insediamento iniziale del patogeno sulla superficie dell’ospite è influenzato dal livello di umidità e dalla temperatura nel sito di infezione. Le adesioni delle spore e la formazione dei germogli sono ottimali a 15°C.
I macroconidi germinano tra 6 e 24 ore nelle superfici interne di lemma, glume, palea e sull’ovario del grano. Due giorni dopo l’inoculazione, il fungo forma una densa massa miceliale e ife di penetrazione che entrano direttamente nelle cellule epidermiche. La degradazione idrolitica delle cuticole, delle pectine nella lamella media e dei polisaccaridi della parete cellulare da parte di F. culmorum avviene nelle spighe di grano. Inoltre, il patogeno deposita nei tessuti dell’ospite tossine non specifiche tra cui DON, NIV e ZEN. Il DON è fitotossico e aumenta la gravità della malattia nel grano e possibilmente nel mais e nell’orzo.5 La biosintesi del DON è indotta da poliammine vegetali, ROS o stress osmotico attraverso la segnalazione della cascata MAPK. Dopo la penetrazione nei fiori del grano, le ife hanno trascorso un breve periodo di tempo crescendo biotroficamente negli spazi intercellulari. Il patogeno si diffonde inter- e intracellulare verso i nodi della rachilla/rachide e colonizza i tessuti del parenchima vascolare e corticale. Alla fine, il fungo invade le spighe non infette. La colonizzazione avviene sulle spighe/kernel così come nelle cellule epidermiche, nei rivestimenti dei semi e nelle cellule epicuticolari.
La tossina interagisce direttamente con le membrane cellulari delle piante, gli organelli citoplasmatici e la peptidil transferasi ribosomiale (Rpl3), portando alla morte cellulare. Durante la colonizzazione fungina, il DON viene traslocato nei tessuti sani vicini dai tessuti contaminati e causa danni alle cellule e il rilascio di sostanze nutritive tra cui aminoacidi, acidi grassi, zuccheri e ioni che vengono utilizzati dal fungo e migliorano la sua diffusione dalla spiga verso il rachide nel grano.
Dopo il suo insediamento iniziale nella seta del mais, F. culmorum si diffonde all’interno e all’esterno della seta e cresce verso la pannocchia dove colonizza i chicchi e gli spazi tra i chicchi.
Fusarium culmorum è anche l’agente casuale del marciume del piede marrone, del marciume radicale e della malattia della peronospora delle piantine di grano e orzo, in particolare nelle aree con precipitazioni medio-basse. L’infezione delle piantine può essere iniziata da semi contaminati o da inoculi del suolo. In quest’ultimo caso, le ife di penetrazione possono entrare attraverso gli stomi sugli ipocotili e diffondersi verso le radici, i germogli e i coleotili dove avviene la colonizzazione come parassita che può portare alla morte delle piantine.
Le piante impiegano barriere fisiche e biochimiche per resistere alle infezioni. Durante la malattia o le reazioni di resistenza, si verifica un esteso dialogo incrociato tra i componenti del patogeno e della pianta. La resistenza a F. culmorum coinvolge più tratti. Sono stati descritti cinque tipi di resistenza nel grano (tipi I, II, III, IV e V) e due tipi di resistenza nel mais (kernel e seta).6 Numerosi componenti e meccanismi molecolari coinvolti nella resistenza a F. culmorum indotta da FHB o marciume della spiga sono stati identificati a vari livelli di interazione tra patogeno e ospite. I componenti coinvolti nella resistenza alla FHB/marciume della spiga possono essere preformati o prodotti costitutivamente (fitoanticipanti) o possono essere indotti dall’infezione del patogeno e comprendono: inibitori della germinazione delle spore, componenti della parete cellulare, piccole proteine antifungine e peptidi ed enzimi che inibiscono la funzione del fungo.
La composizione della parete cellulare delle piante gioca un ruolo importante nei meccanismi di difesa che inibiscono la penetrazione del fungo o la diffusione ifale (resistenza di tipo I). In risposta all’attacco di un patogeno, le proprietà della parete cellulare possono essere modificate da accumuli di callosa, composti fenolici, lignine o proteine strutturali che contribuiscono alla risposta di difesa. Le tionine e le glicoproteine ricche di idrossiprolina (HRGP) si accumulano nel grano resistente dopo l’inoculazione con F. culmorum e sono localizzate nelle pareti cellulari dei tessuti infetti. L’accumulo di flavonoidi nella testa dell’orzo inibisce la diffusione del fungo e la formazione di macrospore, e gli accumuli di benzoxazinoidi, acido ferulico e acido p-cumarico sono stati osservati più elevati nei genotipi di grano resistenti/tolleranti. I saggi in vitro hanno mostrato che i fenoli bloccano la crescita fungina.
La resistenza alla diffusione della malattia (resistenza di tipo II) è legata alla deposizione di 1,3-beta glucani nel grano a da papille. Accumuli di proteine PR sono stati osservati dopo l’inoculazione di grano Triticum kiharae con F. culmorum. I saggi in vitro con estratti grezzi dei semi di T. kiharae hanno mostrato un’attività antifungina verso F. culmorum, indicando che questa specie potrebbe essere una fonte utile per il breeding della resistenza.
Puroindoline, proteine a basso peso molecolare, ricche di cisteina, trovate nei semi di grano interagiscono con le pareti cellulari dei funghi e riducono la crescita fungina in vitro. Le molecole di segnalazione, JA e ET, trasmettono messaggi relativi alla difesa alle parti distali dai tessuti infetti con conseguente resistenza ad ampio spettro contro i patogeni necrotrofi. In Arabidopsis, due geni di resistenza basale ad ampio spettro (NRP1 e EDS11) forniscono resistenza floreale contro F. culmorum e riducono l’accumulo di DON. L’aggiunta di etrel (precursore ET) ha inibito la crescita di F. culmorum, la sporulazione e la germinazione delle spore nei semi di grano.
Le tossine prodotte da F. culmorum (principalmente DON, NIV, e ZEN) durante la patogenesi hanno effetti citotossici su piante, uomini e animali. Il DON è un fattore di virulenza della malattia FHB con conseguente aumento della crescita del fungo.7 Lo sviluppo di colture resistenti alle tossine con capacità di detossificazione sono strategie per aumentare la resistenza al F. culmorum. Esistono vari meccanismi nel grano, nel mais e nell’orzo per ridurre le quantità di tossine, compresa la coniugazione con il glucosio e l’interferenza della biosintesi delle tossine. Poiché la sintesi del tricotecene coinvolge una serie di reazioni di ossigenazione, diversi metaboliti secondari di origine vegetale con attività antiossidanti, come i composti fenolici e i carotenoidi, possono ridurre l’accumulo di tossine. Altri meccanismi di riduzione/detossificazione del tricotecene, come l’acetilazione, l’efflusso e la de-epossidazione non sono stati trovati nei cereali, ma sono stati descritti in altri organismi. Alcuni di questi geni sono stati isolati ed espressi nei cereali per ridurre i livelli di tossine.