Upregulation of chitinase and β-1,3-glucanase enzymes and modulation of biochemical defense response by fungal endophytes against Rhizoctonia solani in cotton

Il cotone è molto più di un semplice tessuto; è un motore agricolo globale, con l'India che da sola coltiva quasi la metà dei campi di cotone mondiali. Eppure, questa coltura vitale deve affrontare un nemico silenzioso e sotterraneo. Un fungo microscopico chiamato Rhizoctonia solani vive nel suolo, in attesa di attaccare i giovani semenzali di cotone. Esso causa una condizione nota come "damping-off" (moria del colletto), in cui i fusti dei semenzali marciscono alla base, causandone il collasso e la morte prima ancora che possano stabilirsi. Per decenni, gli agricoltori hanno combattuto questo nemico con fungicidi chimici, ma questi prodotti possono danneggiare il suolo e i microbi benefici che vi vivono, mentre il fungo stesso può, col tempo, imparare a resistervi. La natura, tuttavia, offre un tipo diverso di soluzione. Nascosti all'interno dei tessuti delle piante sane si trovano funghi microscopici chiamati endofiti. Questi non sono invasori; sono residenti permanenti e innocui che vivono all'interno della pianta senza causare malattie. In molti casi, questi ospiti interni agiscono come guardiani, producendo composti che respingono i parassiti o attivando il sistema immunitario della pianta affinché sia pronta per un attacco.

Un team di ricercatori presso l'Istituto Centrale per la Ricerca sul Cotone di Nagpur, in India, si è posto l'obiettivo di vedere se fosse possibile utilizzare questi guardiani interni per proteggere il cotone dal letale fungo del suolo. Si sono concentrati su tre tipi specifici di endofiti fungini che avevano precedentemente trovato a vivere all'interno di piante di cotone sane. Gli scienziati volevano sapere se avessero potuto "svegliare" le difese naturali della pianta di cotone prima ancora che il nemico arrivasse. Per fare ciò, hanno preso semi di cotone e li hanno immersi in un liquido contenente spore di questi funghi benefici, un processo noto come biopriming dei semi. Questo passaggio ha fornito ai semi essenzialmente un vantaggio iniziale, rivestendoli con i loro nuovi alleati microscopici. Hanno poi piantato questi semi trattati in un terreno infettato dal fungo che causa la malattia, insieme a semi che non avevano ricevuto alcun trattamento. L'obiettivo era osservare come le piante trattate si sarebbero comportate contro l'infezione e comprendere esattamente cosa accadesse all'interno delle cellule vegetali per renderle più forti.

I risultati hanno dimostrato che la strategia ha funzionato in modo straordinario. I semi trattati con i funghi benefici sono cresciuti in semenzali molto più propensi a sopravvivere all'attacco rispetto a quelli non trattati. Infatti, i semi trattati con un endofita specifico, Daldinia eschscholtzii, hanno mostrato i tassi di germinazione più elevati, con il 91 percento di essi che germogliava con successo anche in presenza della malattia, rispetto al 67 percento dei semi non trattati in terreno infetto. Ma la storia va più a fondo della semplice sopravvivenza. I ricercatori hanno esaminato l'interno dei tessuti delle piante sopravvissute per vedere quali cambiamenti biochimici fossero avvenuti. Hanno scoperto che le piante trattate erano essenzialmente in uno stato di alta allerta. Avevano accumulato livelli significativamente più alti di proteine e zuccheri, che fungono da mattoni e carburante per il macchinario di difesa della pianta. Le piante hanno anche prodotto molti più composti fenolici, che agiscono come antisettici naturali e aiutano a rafforzare le pareti cellulari della pianta, rendendo più difficile la penetrazione del fungo invasore.

Lo studio ha anche misurato l'attività di enzimi specifici, che sono gli strumenti che la pianta usa per combattere. Le piante trattate hanno mostrato un aumento dell'attività antiossidante, che aiuta a neutralizzare le sostanze chimiche nocive rilasciate dal fungo patogeno per danneggiare la pianta. Un enzima, chiamato catalasi, che aiuta a scomporre i sottoprodotti tossici della risposta immunitaria della pianta, era particolarmente attivo nelle piante trattate con Daldinia eschscholtzii. Un altro enzima, la perossidasi, coinvolta nell'indurimento delle pareti cellulari della pianta, era anch'esso altamente attivo, specialmente nelle piante trattate con un altro endofita chiamato Trichoderma sulphureum. Forse l'evidenza genetica è stata la più significativa. I ricercatori hanno esaminato i geni responsabili della produzione di chitinasi e beta-1,3-glucanasi, due potenti armi che le piante usano per smantellare le pareti cellulari fungine. Nelle piante trattate con i funghi benefici, le istruzioni per produrre queste armi sono state attivate con una velocità e un'intensità incredibili. Entro quindici giorni dalla semina, l'attività del gene per la chitinasi era aumentata fino a ventisei volte nelle piante trattate con Daldinia eschscholtzii, mentre il gene per la beta-1,3-glucanasi mostrava un aumento di nove volte. Ciò suggerisce che i funghi benefici non si sono limitati a combattere direttamente la malattia, ma hanno insegnato alla pianta di cotone come combattere da sola.

I ricercatori hanno osservato che questa risposta difensiva non è stato un evento singolo, ma uno sforzo coordinato che si è evoluto nel tempo. Mentre i segnali genetici erano più forti nei primi giorni della vita della pianta, le difese biochimiche, come l'accumulo di zuccheri e proteine, hanno continuato a crescere man mano che le piante invecchiavano. Ciò indica che i funghi benefici hanno preparato la pianta a essere pronta per un attacco immediato e l'hanno poi aiutata a sostenere tale difesa durante la maturazione. Lo studio non ha rilevato che i funghi benefici eliminassero completamente il fungo patogeno, ma piuttosto che ne riducevano significativamente i danni. Le piante trattate con gli endofiti non erano immuni, ma erano abbastanza resilienti da sopravvivere e crescere dove le piante non trattate sarebbero perite. Questo approccio offre un'alternativa promettente agli spray chimici, basandosi sulla naturale cooperazione tra le piante e la vita microscopica che ospitano. Semplicemente immergendo i semi in una soluzione di questi funghi utili, gli agricoltori potrebbero potenzialmente proteggere le loro colture con un metodo che è al contempo efficace e delicato sull'ambiente, trasformando i propri alleati interni in una prima linea di difesa contro un nemico persistente e distruttivo.