Verso un'immunità a difesa del grano / Towards an immunity to protect the wheat

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Ruggine dello stelo su alcune piante di grano (Credit: Robert Park, University of Sydney) / Stem rust on some corn plants

Due studi hanno chiarito i meccanismi biochimici grazie ai quali il fungo responsabile della ruggine del grano attacca la pianta, eludendone le difese immunitarie. Il risultato potrebbe essere utile per nuovi interventi d'ingegneria genetica che rendano il grano resistente all'infezione che provoca ingenti perdite di raccolti e minaccia sempre più aree del mondo, anche a causa del riscaldamento globale.

Fin dagli albori dell'agricoltura, l'umanità ha dovuto combattere muffe e infezioni da funghi che affliggono le coltivazioni più importanti per l'alimentazione. Alcuni ritrovamenti archeologici risalenti al IV secolo a.C. hanno documentato che gli antichi romani sacrificavano animali a Robigo, il dio della ruggine del grano, una malattia che può colpire sia lo stelo sia le foglie della pianta di questo cereale, con pesanti conseguenze per la resa dei raccolti.

Più di 2300 anni dopo, forse la battaglia contro questa famiglia di funghi patogeni potrebbe essere vinta, stando ai risultati di due studi pubblicati su “Science”, che hanno individuato meccanismi biochimici cruciali che permettono al fungo di eludere la risposta immunitaria della pianta.

A causare diversi tipi di infezione del grano note con il nome comune di ruggine sono tre differenti specie fungine del genere Puccinia: P. striiformis f. sp. Tritici, che causa la ruggine “a strisce”, P. triticina, che causa la ruggine delle foglie, e P. graminis f. sp. Tritici, che causa la ruggine dello stelo. Quest'ultima è l'infezione più devastante per le colture, perché compromette la stabilità della pianta, causando la caduta dei semi sul terreno.

Gli esiti dell'infezione possono essere devastanti: si calcola per esempio che in una grande epidemia degli anni cinquanta, la ruggine abbia compromesso il 40 per cento del raccolto della corn belt degli Stati Uniti. Col passare dei decenni si è riusciti a selezionare varietà di grano resistente al fungo, ma nel 1999 in Uganda è stato isolato un ceppo fungino particolarmente virulento, chiamato Ug99.

L'evento ha spinto a riprendere una massiccia ricerca di nuove vie di immunizzazione delle colture. Intanto 

però la ruggine si è diffusa nuovamente: si calcola che in Africa il 90 per cento circa delle varietà di grano sia esposta all'infezione. Nel 2013, in Etiopia è andato perduto il 50 per cento circa dei raccolti. E sempre in quell'anno, in Germania si è registrato il primo evento d'infezione degli ultimi cinquant'anni, complici anche le temperature sopra la media.

Gli studi condotti negli ultimi decenni hanno chiarito che la lotta tra patogeno e sistema immunitario del grano si gioca tutta in un confronto tra gli effettori, cioè le proteine che il fungo usa come grimaldelli per scardinare le difese della pianta, e i recettori immunitari, preposti a rilevare la presenza degli effettori e ad attivare le difese immunitarie. Finora però è mancata la possibilità d'identificare gli effettori coinvolti nel processo d'infezione.

Nel primo studio, Andres Salcedo, della Kansas State University a Manhattan, e colleghi hanno analizzato un gran numero di variazioni genetiche naturali e indotte artificialmente nel fungo P. graminis f. sp. Tritici, identificando un elemento cruciale di infezione nell'effettore AvrSr35, che interagisce con il recettore immunitario del grano Sr35.

Nel secondo studio, Jiapeng Chen, dell'Università di Sydney, in Australia, e colleghi hanno studiato un particolare ceppo mutante della stessa specie di fungo in grado di evitare il riconoscimento da parte del recettore immunitario Sr50, codificato dal gene Sr50. Hanno così identificato l'effettore corrispondente, AvrSr50.

“Per la prima volta, è stato possibile effettuare uno studio genetico per identificare se e in che modo un fungo diffuso in tutto il mondo è in grado di superare la sorveglianza di Sr05, un gene per la resistenza alla ruggine che è stato introdotto in alcune varietà di grano ad alta resa”, ha spiegato Robert Park, professore dell'Università di Sydney e coautore del secondo articolo. “Questo ci permetterà di capire se una coltivazione di grano necessita di essere trattata o meno con un fungicida molto costoso, per evitare che l'infezione comprometta il raccolto".

Più a lunga scadenza, secondo i ricercatori, queste nuove scoperte saranno fondamentali per studiare nuovi interventi di ingegneria genetica al fine di ottenere varietà di grano dotate di recettori immunitari più numerosi ed efficienti, in grado di riconoscere l'infezione fungina e bloccarla.

ENGLISH

Two studies have clarified the biochemical mechanisms by which the fungus responsible for wheat rust attacks the plant, eluding its immune defenses. The result could be useful for new genetic engineering interventions that make grain resistant to infection that causes huge losses of crops and threatens more and more areas of the world, also because of global warming.

Since the dawn of agriculture, humanity has had to fight molds and fungal infections that afflict the most important crops for food. Some archaeological finds dating back to the 4th century BC have documented that the ancient Romans sacrificed animals to Robigo, the god of wheat rust, a disease that can affect both the stem and the leaves of the plant of this cereal, with heavy consequences for the yield of crops.

More than 2,300 years later, perhaps the battle against this pathogenic fungi family could be won, according to the results of two studies published in "Science", which have identified crucial biochemical mechanisms that allow the fungus to evade the immune response of the plant.

To cause different types of wheat infection known by the common name of rust are three different fungal species of the genus Puccinia: P. striiformis f. sp. Tritici, which causes the "striped" rust, P. triticina, which causes the rust of the leaves, and P. graminis f. sp. Tritici, which causes the stem to rust. The latter is the most devastating infection for the crops, because it compromises the stability of the plant, causing the seeds to fall on the ground.

The outcomes of the infection can be devastating: it is estimated, for example, that in a major outbreak of the 1950s, rust has compromised 40 percent of the US corn belt crop. Over the decades it has been possible to select varieties of grain resistant to the fungus, but in 1999 in Uganda a particularly virulent fungal strain, called Ug99, was isolated.

The event led to resume a massive search for new ways of immunization of crops. Meanwhile, however, the rust has spread again: it is estimated that in Africa about 90 percent of the wheat varieties are exposed to infection. In 2013, about 50 percent of the crops were lost in Ethiopia. And again in that year, the first infection event of the last fifty years was recorded in Germany, also due to the above-average temperatures.

The studies conducted in recent decades have made clear that the fight between pathogen and the immune system of wheat is played in a comparison between the effectors, ie the proteins that the fungus uses as picks to break the defenses of the plant, and immune receptors, responsible for detect the presence of the effectors and activate the immune defenses. So far, however, the possibility of identifying the effectors involved in the infection process has been missed.

In the first study, Andres Salcedo, of the Kansas State University in Manhattan, and colleagues analyzed a large number of natural and artificially induced genetic variations in the fungus P. graminis f. sp. Tritici, identifying a crucial element of infection in the AvrSr35 effector, which interacts with the Sr35 wheat immune receptor.

In the second study, Jiapeng Chen, of the University of Sydney, Australia, and colleagues studied a particular mutant strain of the same species of fungus that could avoid recognition by the immune receptor Sr50, encoded by the Sr50 gene. They identified the corresponding effector, AvrSr50.

"For the first time, it was possible to carry out a genetic study to identify if and how a diffused fungus in the world is able to overcome the surveillance of Sr05, a gene for the resistance to rust that was introduced in some high yield wheat varieties, "explained Robert Park, a professor at the University of Sydney and coauthor of the second article. "This will allow us to understand if a cultivation of wheat needs to be treated or not with a very expensive fungicide, to prevent the infection compromising the harvest".

In the longer term, according to the researchers, these new discoveries will be fundamental to study new genetic engineering interventions in order to obtain wheat varieties with more numerous and efficient immune receptors, able to recognize the fungal infection and block it.

Da:

http://www.lescienze.it/news/2017/12/27/news/ruggine_grano_combattere_fungo-3803337/?ref=nl-Le-Scienze_29-12-2017