Tomato genomic regions and candidate genes linked to responses to a resistance inducer against Phytophthora infestans

Nel mondo dell'agricoltura, gli agricoltori si sono a lungo affidati agli spray chimici per impedire alle malattie di distruggere i loro raccolti. Uno dei nemici più persistenti e dannosi è un organismo microscopico chiamato Phytophthora infestans, che causa la peronosima. Questo patogeno può annientare i raccolti di pomodori e patate con una velocità terrificante. Per decenni, la soluzione è stata combattere il fuoco con il fuoco, usando fungicidi sintetici o prodotti a base di rame. Tuttavia, proprio come i batteri imparano a sopravvivere agli antibiotici, questi patogeni finiscono per evolversi per resistere ai prodotti chimici destinati a ucciderli. Questa corsa agli armamenti ha spinto gli scienziati a cercare modi più intelligenti e sostenibili per proteggere le piante. Invece di avvelenare direttamente il patogeno, i ricercatori stanno esplorando una strategia che trasforma il sistema immunitario della pianta in uno scudo. Questo approccio utilizza sostanze naturali, note come induttori di resistenza, per "svegliare" le difese della pianta prima ancora che avvenga un attacco. Pensatelo come un vaccino per una pianta, che la addestra a riconoscere e combattere gli invasori in modo più efficace. Eppure, un grande enigma rimane: non tutte le piante rispondono a questo addestramento allo stesso modo. Alcune varietà sembrano assorbire perfettamente la spinta, mentre altre reagiscono appena, lasciando gli agricoltori incerti su quali semi piantare per ottenere la migliore protezione.

Un team di ricercatori dell'INRAE in Francia si è posto l'obiettivo di risolvere questo mistero indagando sul motivo per cui diverse piante di pomodoro reagiscono in modo così differente a un trattamento naturale specifico chiamato Belvine®. Questo prodotto, derivato dal lievito, è già approvato per l'uso sulle viti per combattere l'oidio, ma il suo potenziale per i pomodori era meno compreso. Gli scienziati volevano sapere se la variazione nel modo in cui il trattamento funzionava fosse semplicemente sfortuna o se fosse scritta nel codice genetico delle piante. Per trovare la risposta, hanno raccolto un gruppo diversificato di 148 diverse varietà di pomodoro, che spaziavano dai piccoli pomodori ciliegino ai grandi tipi commerciali, e le hanno coltivate in tunnel di plastica in condizioni reali. Hanno trattato metà delle piante con Belvine® e lasciato l'altra metà non trattata, per poi esporre tutte le piante al patogeno della peronosima. Misurando attentamente quanta malattia appariva su ogni foglia, sono stati in grado di calcolare esattamente quanta protezione forniva il trattamento per ogni singola varietà.

I risultati hanno confermato ciò che gli agricoltori sospettavano: il trattamento funzionava, ma il suo successo dipendeva interamente dal tipo specifico di pomodoro. In media, il trattamento con Belvine® ha ridotto la gravità della malattia di quasi il 90 percento, un miglioramento notevole. Tuttavia, il livello di protezione variava enormemente da una varietà all'altra. Alcuni pomodori erano completamente immuni alla malattia dopo il trattamento, non mostrando alcun segno di infezione, mentre altri erano solo parzialmente protetti. Questa ampia gamma di risultati suggeriva che la capacità di rispondere al trattamento fosse un tratto tramandato attraverso le generazioni, proprio come l'altezza o il colore del frutto. Per dimostrare ciò, i ricercatori hanno calcolato l'ereditabilità della risposta, una misura di quanto la differenza tra le piante sia dovuta ai loro geni piuttosto che all'ambiente. Hanno scoperto che la genetica giocava un ruolo massiccio, essendo responsabile di oltre la metà della variazione nel modo in cui le piante venivano protette. Questa è stata una scoperta cruciale, confermando che gli allevatori potrebbero potenzialmente selezionare pomodori che sono naturalmente più bravi a utilizzare queste difese naturali.

Con la base genetica confermata, il team è passato alla fase successiva: trovare le parti specifiche del genoma del pomodoro responsabili di questa variazione. Hanno utilizzato una potente tecnica chiamata Studio di Associazione Genome-Wide (GWAS), che scansiona l'intero DNA delle piante per cercare piccole differenze che corrispondano alle differenze nella protezione dalla malattia. Questa ricerca ha rivelato cinque regioni distinte sui cromosomi del pomodoro che sono collegate all'efficacia del trattamento. Queste regioni si trovavano sui cromosomi 2, 3, 4 e 12. All'interno di questi quartieri genetici, i ricercatori hanno identificato diversi geni candidati che probabilmente controllano la risposta della pianta. Questi geni includevano istruzioni per la creazione di proteine che agiscono come sensori per rilevare le minacce, proteine che aiutano a inviare segnali di allarme e enzimi che costruiscono barriere fisiche contro il patogeno. Interessantemente, alcuni di questi geni erano gli stessi che il trattamento era noto per attivare, come quelli che producono enzimi per rompere le pareti cellulari fungine o quelli che gestiscono lo stress ossidativo.

Lo studio ha anche evidenziato che l'ambiente conta. Mentre alcune regioni genetiche erano importanti in tutte le condizioni, altre sembravano contare di più in tunnel o stagioni specifiche, suggerendo che il miglior abbinamento genetico per un agricoltore potrebbe dipendere dal suo clima locale. I ricercatori non si sono limitati a trovare le posizioni; hanno anche esaminato la funzione dei geni in quei punti. Hanno scoperto che i pomodori più efficaci possedevano versioni specifiche di geni che codificano per proteine come le beta-1,3-glucanasi e le glutathione S-trasferasi. Questi sono proprio gli strumenti che la pianta usa per combattere l'infezione una volta lanciato l'allarme. Il fatto che le piante più reattive possedessero questi specifici strumenti genetici suggerisce che i programmi di selezione potrebbero ora concentrarsi sulla selezione di tali tratti. Invece di indovinare quale varietà di pomodoro funzionerà meglio con uno spray di difesa naturale, gli allevatori possono ora cercare i marcatori genetici specifici che garantiscono una forte risposta.

Questo lavoro rappresenta la prima volta che gli scienziati hanno mappato le regioni genetiche che determinano quanto bene una pianta di pomodoro risponda a un induttore di resistenza. Prima di allora, l'idea che il DNA di una pianta potesse dettare la sua capacità di beneficiare di un trattamento naturale era ampiamente teorica. Ora, con questi specifici obiettivi genetici identificati, la strada davanti all'agricoltura è più chiara. Agricoltori e allevatori possono lavorare insieme per sviluppare nuove varietà di pomodoro che non siano solo resistenti alla malattia di per sé, ma che siano anche pronte a combattere ancora più duramente quando ricevono una spinta naturale. Questo approccio offre un modo per ridurre la dipendenza dai fungicidi chimici, offrendo una soluzione più duratura e rispettosa dell'ambiente a uno dei problemi più antichi e distruttivi dell'agricoltura. Lo studio non sostiene di aver risolto interamente il problema della peronosima, ma ha fornito la mappa essenziale necessaria per creare la prossima generazione di colture resilienti.