Per anni si è pensato che il regno vegetale fosse completamente sprovvisto di un sistema immunitario in quanto le piante, a differenza degli umani o degli animali, sono prive di cellule immunitarie circolanti, ossia di quelle cellule preposte ad intercettare e aggredire l’agente patogeno durante un’infezione, sviluppando dunque una vera e propria reazione immunitaria nell’organismo. La biologia classica era infatti convinta che le piante reagissero semplicemente a degli stimoli esterni con una serie di reazioni casuali che nulla avevano a che fare con l’attivazione di un meccanismo biologico di difesa atto a sviluppare una risposta immunitaria concreta. Oggi invece, grazie agli studi condotti da diverse università e grazie alle scoperte dell’immunologo Charles Janeway, pioniere della medicina moderna nel campo dell’immunità innata, sappiamo che non è così. Le piante infatti hanno un sistema di difesa di base capace di tenere lontani gli organismi potenzialmente pericolosi, attraverso un meccanismo biologico reattivo molto simile al nostro.

I principali patogeni delle piante

Le malattie delle piante possono essere causate da una varietà di agenti patogeni:

• Funghi e muffe: I funghi sono tra i patogeni più comuni che possono causare nelle piante malattie fungine quali l’oidio, la peronospora e il marciume grigio. Questi microrganismi si sviluppano solitamente in condizioni di alta umidità e scarsa circolazione dell’aria e possono attaccare foglie, fusti e radici, compromettendo la salute generale della pianta;
• Batteri: responsabili di causare alcune malattie come la Erwinia amylovora (o colpo di fuoco batterico) e capaci di provocare danni irreversibili alle piante. I batteri sono particolarmente pericolosi perché si diffondono facilmente attraverso le gocce d’acqua o veicolati dagli animali;
• Virus: detti anche fitovirus, variano in base alla specie attaccata, questi penetrano nelle cellule distruggendole e causando malattie virali che riducono la capacità di fotosintesi e crescita. Alcuni esempi sono il mosaico del tabacco (tobacco mosaic virus), scoperto nel 1886 nelle piantagioni di tabacco dal biologo Adolf Mayer e che colpisce molte specie vegetali tra cui barbabietola da zucchero, mais, patata, pisello, cucurbitacee e pomodoro;
• Parassiti: tra cui si annoverano numerose famiglie di insetti e altri parassiti come afidi, cocciniglie e acari. Questi possono causare danni alle foglie e ai rami, favorendo l’insorgenza di infezioni secondarie da parte di funghi e batteri. I parassiti si nutrono della linfa della pianta e spesso introducono agenti patogeni nel loro corpo, aggravando ulteriormente la salute della stessa.

Tuttavia le piante nel tempo, soprattutto grazie a mutazioni genetiche naturali, hanno sviluppato delle risposte immunitarie vere e proprie capaci di prevenire o bloccare le aggressioni dei patogeni attraverso una serie di reazioni biochimiche e molecolari.

“Ma come funziona il sistema immunitario delle piante?“

Le risposte biochimiche e molecolari

Le piante, non appena rilevano la presenza di microbi, sono in grado di proteggersi attivando un primo strato di immunità chiamata immunità stimolata dagli agenti patogeni (PTI, pathogen-triggered immunity). Questa modalità di «massima allerta» le rende più resistenti alle infezioni, in parte mediante la variazione dell’espressione genica di migliaia di geni. Nelle fasi iniziali dell’infezione infatti il patogeno viene contrastato da difese strutturali preformate (ad esempio la parete cellulare della pianta) e biochimiche (ad esempio le fitoanticipine). Inoltre, le cellule vegetali sono in grado di riconoscere rapidamente un microrganismo potenzialmente pericoloso e attivare una vasta gamma di risposte volte a ucciderlo e a limitarne la diffusione nell’ospite. È importante sottolineare che le piante discriminano tra patogeni e microbi innocui o benefici, assicurando che adeguate risposte, che sono costose per la pianta, siano indotte solo quando necessarie.

Le piante, come detto, non hanno cellule immunitarie circolanti né un sistema immunitario adattativo come nei vertebrati, bensì ogni cellula è in grado di riconoscere la presenza di un agente patogeno, attraverso meccanismi biochimici autonomi che assomigliano al sistema immunitario innato degli animali. Per questo motivo, parliamo spesso della immunità innata delle piante per descrivere il complesso di risposte di difesa che vengono rapidamente indotte nel sito di infezione. Successivamente, si possono osservare risposte più a lungo termine non solo nei tessuti direttamente a contatto con l’agente patogeno, ma anche nel resto della pianta, e può verificarsi una resistenza acquisita alle infezioni successive.

Gli anticorpi delle piante

Le piante dunque non hanno cellule immunitarie vere e proprie, ma possono sviluppare delle proteine come risposta immunitaria ad un’infezione causata da un patogeno. Un esempio sono le fitoalessine, ossia dei composti antimicrobici di natura proteica che vengono prodotti dalla pianta a seguito di interazioni con patogeni. Tutt’oggi le fitoalessine sono studiate nei laboratori di biotecnologie agrarie perché possono essere utilizzate come principio attivo nei fitofarmaci utilizzati per curare le piante da attacchi fungini.

Un’altra risposta immunitaria classica nelle piante è la formazione di galle (cecidio), ossia di escrescenze che solitamente si sviluppano su rami e tronchi ma possono svilupparsi anche su foglie e gemme, con strutture simili a tumori e sono causate principalmente da insetti e altri antropoidi o batteri. La galla è la risposta immunitaria della pianta alla presenza del parassita attraverso una crescita anomala di tessuto che ha il solo scopo di isolare il microrganismo potenzialmente pericoloso per evitare che questo si propaghi infettando il tronco o inquinando le sostanze organiche e minerali presenti nella linfa. A causare le galle è l’Agrobacterium tumefaciens, un batterio che si comporta come un parassita, capace di infettare le piante attraverso la trasmissione di un segmento di DNA, definito T-DNA, che penetra all’interno delle cellule vegetali integrandosi nel loro genoma. 

L’ereditarietà genetica

Il sistema immunitario delle piante è frutto di ereditarietà genetica che si sviluppa nel corso delle generazioni per via degli agenti esterni percepiti e del clima in cui una pianta vive. Così come avviene nel regno animale e negli esseri umani, il patrimonio genetico delle piante viene tramandato in base alle condizioni in cui una pianta cresce e si riproduce, modificando le proprie caratteristiche in base alle proprie necessità. Già Gregor Mendel, padre della genetica moderna, studiò le proprietà dei singoli geni sperimentandole sulle piante. Grazie alle leggi di Mendel sull’ereditarietà infatti sono iniziate le prime analisi genetiche della resistenza alle malattie delle piante, e si è scoperto come la resistenza ai funghi patogeni della ruggine nel frumento avveniva grazie ad un singolo gene semi-dominante (gene R). Nello specifico il patologo vegetale Harold Henry Flor, durante alcuni studi genetici condotti sull’interazione tra il lino (Linum usitatissimum) e il suo parassita, il fungo della ruggine (Melampsora lini), ipotizzò che per ogni gene che determinava la reazione dell’ospite alla patologia corrispondeva uno specifico gene che determinava la patogenicità nel parassita. Quindi man mano che il gene del patogeno evolveva, anche quello immunitario della pianta evolveva di conseguenza, in una continua lotta alla sopravvivenza.

In uno studio condotto dall’Università della California (Stati Uniti) e dal Max Planck Institute for Developmental Biology (Germania) si è indagato sull’ipotesi consolidata delle teoria evoluzionistica secondo cui le mutazioni avvengono in maniera casuale. I ricercatori hanno trascorso tre anni a sequenziare il DNA di centinaia di esemplari di arabetta comune, scoprendo inaspettatamente che le mutazioni della pianta si sono verificate con minore frequenze in alcune aree genomiche rispetto ad altre. In pratica, si è osservato che la pianta ha sviluppato un modo per proteggere i suoi geni biologicamente più importanti dalla mutazione. Da qui, la supposizione che l’evoluzione non avverrebbe casualmente, ma dipenderebbe da una sorta di intelligenza della pianta, in un modo che avvantaggia la pianta stessa. Con tali studi di sono incrociati quelli sull’interattoma, ossia l’insieme complessivo delle interazioni molecolari in una particolare cellula. Nello specifico le interazioni fisiche tra molecole (come tra quelle proteine conosciute come interazioni proteine-proteine) e l’insiemi di interazioni indirette tra geni (interazioni genetiche). In sostanza le piante che sviluppano determinate reazioni immunitarie dovute ad agenti patogeni ma anche a cambiamenti climatici o stress immagazzinano questa memoria genetica e la trasmettono alle loro discendenti. In questo modo il patrimonio genetico della pianta, riconosciuto l’ambiente e le avversità alle quali ha dovuto far fronte, permette alle nuove piante di sopravvivere in natura e di proseguire il loro ciclo vitale e riproduttivo.

Sistema immunitario simbiotico

A venire in aiuto alle risposte biochimiche delle piante durante gli attacchi da parte di agenti esterni sono anche i cosiddetti “microbi buoni“, microrganismi capaci di resistere contro specifici patogeni ed aiutare la pianta creando un vero e proprio rapporto simbiotico con la stessa. In uno studio pubblicato su Science Express i ricercatori dell’Università di Wageningen (Paesi Bassi) e del Lawrence Berkeley National Laboratory (Stati Uniti) hanno identificato per la prima volta in che modo una rete di microbi del suolo possono lavorare assieme per respingere i patogeni che uccidono le piante. Il team ha compiuto la scoperta dopo aver osservato attentamente il suolo proveniente da un campo di barbabietole da zucchero nei Paesi Bassi che era diventato resistente al patogeno Rhizoctonia solani che causa il fungo alla radice delle piante. Anche se i suoli soppressivi sono piuttosto comuni, finora sono stati identificati solo alcuni dei microbi coinvolti in questo sistema immunitario per le piante e precedenti studi hanno portato alla luce solo un numero esiguo di microbi che combattono contro i patogeni. In questo studio, il team ha trovato 17 microbi del suolo impegnati a tentare di sopprimere il patogeno killer, che è in grado di seminare il caos tra barbabietole, piante e riso. I microrganismi alleati della pianta dunque sarebbero capaci di attaccare l’ospite e proteggere la pianta attraverso un processo di interazione simbiotico mutualistico.

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Fonti:

• The plant immune system: From discovery to deployment
• The integration of T-DNA into plant genomes
• Deciphering the rhizosphere microbiome for disease-suppressive bacteria
• Il sistema immunitario della pianta: basi biochimiche e molecolari del riconoscimento dei patogeni e dell’attivazione delle difese della pianta
• Anche le piante hanno un sistema immunitario
• A common immune response node in diverse plants
• Sfruttare le difese immunitarie delle piante per raccolti più abbondanti
• Mutation bias reflects natural selection in Arabidopsis thaliana
• Plant Immune Mechanisms: From Reductionistic to Holistic Points of View