Aiutare le piante a combattere gli agenti patogeni migliorando i loro sistemi immunitari

Aiutare le piante a combattere gli agenti patogeni migliorando i loro sistemi immunitari

La civiltà oggi conosciuta non avrebbe potuto evolversi, né potrebbe sopravvivere senza un'adeguata disponibilità di cibo. - Norman Borlaug

La maggior parte delle persone non ha mai sentito parlare Norman Borlaug. È, finora, l'unico scienziato agricolo che abbia mai vinto il Nobel per la pace. Il suo lavoro nello sviluppo di colture cerealicole ad alto rendimento e resistenti alle malattie ha salvato più di un miliardo (sì, miliardo) persone dalla fame.

Sebbene abbia pronunciato queste parole quasi 50 anni fa, il suo messaggio non potrebbe essere più attuale oggi. Viviamo in un mondo che dovrebbe superare nove miliardi di persone intorno a 2050e attualmente alcuni 800 milione di persone non hanno abbastanza cibo per vivere una vita sana e attiva

I progetti dell'Organizzazione delle Nazioni Unite per l'alimentazione e l'agricoltura di cui abbiamo bisogno aumentare la produzione di cibo di almeno 70% per far fronte a questa ondata di crescita della popolazione. Questo è un compito scoraggiante, reso ancora più difficile dal fatto che quasi 20% del raccolto globale è perso a causa di malattie delle piante. Uno dei modi più efficaci per combattere queste malattie è attraverso il controllo chimico: l'applicazione dei pesticidi. Tuttavia, gli agenti patogeni possono sviluppare rapidamente resistenza ai pesticidi, che possono quindi richiedere un utilizzo sempre più elevato per mantenere la produzione. Ci sono anche preoccupazioni ambientali e sanitarie associato all'applicazione di sostanze chimiche potenzialmente tossiche ai campi.

La richiesta è urgente per metodi più sicuri e più sostenibili di protezione delle colture. È qui che interveniamo noi, i patologi delle piante. Un patologo delle piante è specializzato in salute delle piante allo stesso modo in cui un medico si specializza nella salute umana e lavoriamo instancabilmente per proteggere il nostro approvvigionamento alimentare.

Una nuova area di ricerca nella guerra contro i patogeni si concentra sul miglioramento del sistema immunitario naturale della pianta. Se una pianta può combattere da sola un'infezione, possiamo ridurre la quantità di pesticidi necessari. Analogamente a come i bambini vengono vaccinati per proteggersi dalle malattie future, i patologi delle piante usano la stessa metodologia per "immunizzare" le piante contro i patogeni, con l'obiettivo di rafforzare le loro difese immunitarie contro gli invasori. Questo metodo di innescare il sistema immunitario delle piante potrebbe essere un modo sicuro ed efficace per salvare parte del raccolto globale attualmente perso dalle malattie.

piante sotto stress1Uno specialista della manioca ispeziona un raccolto malato nel nord-est della Thailandia. CIAT, CC BY-SA


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Comprensione del sistema immunitario vegetale

Le piante sono naturalmente esposte a una varietà di microbi patogeni, come batteri, funghi e virus. In contrasto con gli esseri umani, che hanno la capacità di eludere fisicamente le infezioni, le piante sono immobili. Pertanto, ogni cellula della pianta deve difendersi dagli attacchi. Le piante hanno un sistema immunitario a più livelli che li aiuta a combattere questi microrganismi. Funziona in un modo molto simile al sistema immunitario umano.

Le piante rilevano i patogeni riconoscendo i "pattern" microbici. Queste sono caratteristiche uniche del tipo di microbo (si pensi ai flagelli batterici) che la pianta si è evoluta per riconoscere come "non sé". Possiamo equiparare questa capacità al riconoscimento degli antigeni da parte del corpo umano, che induce una risposta immunitaria. Sfortunatamente, i patogeni si evolvono continuamente per eludere il riconoscimento, in genere schermando o mascherando questi schemi. Questa abilità consente loro di colonizzare le cellule di una pianta prima che possa montare una risposta immunitaria efficace.

Il priming della difesa è come una vaccinazione

Uno dei nostri principali obiettivi di ricerca è quello di sfruttare questi modelli per innescare il sistema immunitario vegetale, creando una protezione potenziata contro i microbi patogeni, al posto dei tradizionali metodi di controllo chimico.

Il principio di "difesa innescando"È molto simile a come sviluppiamo i vaccini per curare le malattie umane. Un vaccino agisce come agente impostore. Inganna il sistema immunitario nel pensare di essere attaccato, il che stimola le risposte di difesa, come la produzione di anticorpi. Questo crea una memoria di difesa, consentendo al sistema immunitario di ricordare un particolare agente patogeno se il corpo lo incontra in futuro. Può quindi rispondere rapidamente e in modo robusto, grazie alla sua memoria innescata dal vaccino.

Possiamo applicare questo stesso principio a una relazione pianta-patogeno. Ad esempio, una volta identificato il modello di interesse di un patogeno, lavoriamo per isolarlo e purificarlo. Questo passaggio è come fabbricare il vaccino. Possiamo quindi inoculare la pianta con il modello purificato, ad esempio iniettandolo nel gambo o foglie con una siringa. L'obiettivo è stimolare la risposta immunitaria naturale della pianta, determinando una risposta di difesa più rapida e / o più forte la volta successiva che la pianta incontra quell'agente patogeno.

Stiamo fondamentalmente assicurando che le piante siano preparate per la battaglia prima che gli attacchi nemici. Piante innescate mostra una maggiore tolleranza alle infezioni, che è spesso caratterizzata da un minor numero di sintomi e da una ridotta popolazione di agenti patogeni all'interno della pianta. Sebbene le piante primerizzate non siano ancora state implementate su larga scala nell'agricoltura commerciale, gli scienziati stanno conducendo attivamente ricerche sull'uso di innesco della difesa sia in serra che in campo impostazioni per la protezione contro batteri, virus e funghi.

La mia ricerca si concentra principalmente sull'uso del priming di difesa per la protezione contro un agente patogeno batterico chiamato Xylella fastidiosa che colpisce le industrie di vino, da tavola e uva passa multi-miliardaria. Provoca la malattia di Pierce, che costa lo stato della California oltre $ 100 milioni annui in spese di perdita di raccolto e sforzi per trattarlo. Attualmente non esiste una cura per le malattie causate da questo agente patogeno vegetale, ma il nostro obiettivo è utilizzare l'innesco della difesa per sconfiggerlo.

piante sotto stress2Anche le piante si ammalano! Fungo di ruggine sul grano. Yue Jin, servizio di ricerca agricola

Potenziale nell'agricoltura commerciale

In contrasto con il sistema immunitario umano, in cui le risposte di difesa sono specifiche per un particolare germe, gli effetti del priming nelle piante sono ad ampio spettro, proteggendo la pianta da una vasta gamma di malattie e insetti nocivi.

Un altro importante vantaggio del priming della difesa è che c'è poca o nessuna riduzione nel fitness della pianta - le piante continuano a crescere e si riproducono normalmente. Questo è un vantaggio fondamentale nell'agricoltura commerciale, dove il successo dipende da alti rendimenti.

Inoltre, lo stato innescato è durevole e può essere mantenuto a lungo dopo lo stimolo iniziale. La ricerca attuale ha anche dimostrato che le piante possono trasmettere questa memoria di difesa alla loro progenie, fornendo protezione multigenerazionale senza alcuna modifica genetica.

Sono necessarie ulteriori ricerche per migliorare la nostra comprensione dei meccanismi molecolari alla base di questo fenomeno, ma il priming della difesa sembra essere uno strumento prezioso e promettente nel futuro dell'agricoltura sostenibile.

Circa l'autoreThe Conversation

rapicavoli jeannetteJeannette Rapicavoli è dottoranda in Patologia vegetale all'Università della California, Riverside. La mia ricerca si concentra sulla base molecolare delle interazioni ospite-patogeno dei batteri patogeni vegetali che risiedono nello xilema, o tessuto conduttore di acqua del sistema vascolare della pianta. Nello specifico, lavoro con un agente patogeno batterico che causa gravi malattie nella vite e negli agrumi, tra gli altri ospiti di piante economicamente importanti. Attualmente, la mia ricerca ha evidenziato il ruolo dei polisaccaridi della superficie delle cellule batteriche come elicotteri del sistema immunitario innato della pianta.

Questo articolo è stato pubblicato in origine The Conversation. Leggi il articolo originale.

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