PGPR interessati al biocontrollo

I rizobatteri probiotici interessati al biocontrollo sono uno dei principali protagonisti della cosiddetta lotta biologica in agricoltura, definita come l’uso degli organismi viventi e dei loro prodotti, allo scopo di proteggere le piante dagli agenti biotici dannosi (DeBach, 1979). Il ruolo dei rizobatteri nel controllo biologico è quello di contenere la popolazione dei patogeni entro una soglia di non pericolosità. I meccanismi di antagonismo espressi dai rizobatteri probiotici sono principalmente tre:

- la produzione di sostanze antagoniste, chiamate antibiotici, che interagiscono direttamente con il patogeno; o la produzione rizobatterica di metaboliti che degradano i fattori di patogenicità, come le tossine, o che inattivano le molecole, presenti negli essudati radicali, che agiscono come “stimoli” di questa patogenicità.

- l’induzione dei meccanismi di resistenza della pianta, da parte dell’agente PGPR;

- la competizione per i nutrienti, soprattutto metalli, e spazio, di si è parlato sopra.

Nessuno di questi meccanismi è necessariamente esclusivo di un singolo agente di biocontrollo che, spesso al contrario, esibisce più modi d’azione. Per molti agenti, diversi meccanismi o combinazioni di essi possono essere coinvolti nella soppressione di diversi patogeni.

Pseudomonas fluorescens si è dimostrata, grazie agli studi condotti negli ultimi

venticinque anni, come una delle specie microbiche con le più grandi potenzialità nel biocontrollo (Barea et al., 2005). Essa esplica la sua funzione benefica sia con l’antibiosi, sia con la competizione, a seconda della specie di fungo o batterio patogeno presente nella rizosfera (O’Sullivan e O’Gara, 1992).

Anche ceppi di Bacillus spp. sono molto usati ed introdotti negli inoculi commerciali per esplicare la funzione di controllo biologico, soprattutto per il fatto che questo batterio Gram positivo producendo endospore, rimane stabile e non risente delle lavorazioni e dello stoccaggio del prodotto (Kokalis-Burelle et al., 2006). Tra i ceppi di

Bacillus, B. subtilis e B. pumilus sono molto usati per la loro produzione di sostanze

antibiotiche e per l’attivazione di meccanismi di resistenza della pianta (Raj et al., 2003; Ji et al., 2006)

A questo scopo vengono usati anche batteri di altri generi, come Streptomyces, attivo nel biocontrollo producendo sostanze antiobiotiche, lisando la parete cellulare dei funghi patogeni, competendo per le fonti nutrizionali e con l’iperparassitismo. Infatti, è molto usato negli inoculi commerciali per prevenire l’attacco ed i disagi causati da Pythium spp., Fusarium spp., Rhizoctonia spp., e Phytophthora spp. (Minuto et al., 2006).

Infine, ceppi non patogeni di Agrobacterium vengono inoculati nel terreno per controllare gli Agrobacterium tumefaciens patogeni.

Antibiotici prodotti dai rizobatteri

Gli antibiotici con proprietà di “biocontrollo” più studiati includono composti solubili, come il 2,4-diacetilfloroglucinolo (DAPG), le fenazine, la pioluteorina, la piocianina e la pirrolnitrina, e composti volatili, come l’ammoniaca e l’acido cianidrico (HCN) (Raaijmakers et al., 2002).

La produzione di antibiotici sembra essere strettamente regolata da due componenti: una sorta di sensore ambientale (presumibilmente una proteina di membrana) e un fattore di risposta citoplasmatica (Whipps, 2001).

Diversi ceppi di Pseudomonas, un genere batterico probiotico tra i più importanti, possono produrre 2,4-diacetilfloroglucinolo (DAPG), fenazina, pioluteorina, e/o piocianina (Raaijmakers et al., 2002). Molti di questi antibiotici risultano contemporaneamente efficaci contro diversi batteri e funghi, mentre altri controllano specificatamente e selettivamente soltanto alcuni patogeni. Ad esempio, la pioluteorina prodotta da un ceppo di P. fluorecens risulta essere un efficace antibiotico contro l’attacco delle radici di cotone da parte di Pythium spp., mentre la piorrolnitrina prodotta da un altro ceppo di Pseudomonas è più efficace contro l’infezione di Rhizoctonia solani, sempre sulle radici di cotone (Howell e Stipanovic, 1979). L’antibiotico DAPG, purificato da diversi ceppi di Pseudomonas è efficace nella soppressione di molti patogeni, soprattutto contro la micoflora patogena come

Fusarium e Pythium. Il DAPG, limitando le popolazioni dei patogeni, gioca un ruolo

fondamentale nella strutturazione delle comunità microbiche della rizosfera (Kent e Tripplett, 2002). Infatti, si è osservato che, dopo l’infezione da parte di Phytophthora delle radici di avocado, la diversità microbica rizosferica aumenta perché aumenta anche la disponibilità di nutrienti liberati dalle radici attaccate dal fungo. Invece, se si opera una inoculazione con un ceppo di Pseudomonas produttore di DAPG,

spariscono sia i patogeni, sia i disagi dei tessuti radicali causati dall’infezione e per questo la biodiversità microbica diminuisce (Yang et al., 2001).

L’acido cianidrico (HCN) è rilasciato come prodotto secondario del metabolismo da molti rizobatteri e, negli organismi sensibili, inibisce la produzione di ATP mediato dalla citocromo ossidasi. Per questo, i rizobatteri produttori di HCN possono essere visti non solo come probiotici a effetto biocontrollo, ma anche come microrganismi dannosi per la salute delle piante, a seconda della quantità prodotta (De Bellis e Ercolani, 2001). Il ruolo dell’HCN, prodotto da P. fluorescens, nel controllo di rizobatteri dannosi, non è ancora del tutto chiaro. È possibile che la produzione di HCN abbia differenti effetti in differenti specie di piante.

Induzione dei meccanismi di resistenza della pianta

Tra i meccanismi impiegati dai rizobatteri probiotici, l’induzione della resistenza delle piante è quello che negli ultimi anni ha avuto la maggiore espansione (Murphy et al., 2000a; Zehender et al., 2001; Ji et al., 2006). La resistenza indotta, ISR (dall’inglese Induced Systemic Resistance) (Tuzun e Kloepper, 1994), è definita come “il processo di attiva resistenza, che dipende da barriere fisiche e chimiche della pianta ospite, innescata da agenti biotici o abiotici”. In alcuni casi, la produzione di HCN da parte di certi ceppi di Pseudomonas spp. sembra attivare la resistenza indotta della pianta per alcuni patogeni, ma sono ancora limitate le prove dell’intervento diretto di questi rizobatteri. I dubbi derivono dal fatto che si verifica il controllo di patogeni come Phytium e Rhizoctonia in vivo, ma non si riscontra il medesimo effetto in vitro (Kloepper et al., 1991).

In altri studi, durante la colonizzazione di batteri coinvolti nell’ISR (Pseudomonas e

Bacillus) c’è un incremento dell’espressione dei geni indotti dal giasmonato e

dall’etilene che portano alla liberazione e di segnali diffusibili nell’ambiente (Van Loon

et al. 1998; Pieterse et al. 2001). Una molecola segnale ben caratterizzata è N-acyl- L-homoserine lactones (AHLs), prodotta da molti batteri Gram negativi, che ha la

funzione di controllare l’espressione di geni implicati in svariate funzioni e nel fenomeno del cosiddetto “quorum sensing”. Recentemente si è dimostrato che questo gruppo di molecole segnale sono implicati nell’ISR, aumentando l’espressione da parte della pianta di geni deputati alla difesa con il risultato di un minore attacco del patogeno; nello specifico nel caso di Serratia liquefaciens e

Pseudomonas putida contro Alternaria alternata in piante di pomodoro (Schuhegger et al., 2006).

Dal punto di vista pratico, sono in corso molti studi in campo, da quando si è avuto il primo risultato positivo di un vero proprio effetto dovuto all’ISR contro l’avvizzimento batterico nel cetriolo (Wei et al., 1996), per ottimizzare la migliore strategia applicativa di questi PGPR. E’ stata verificata l’efficacia di trattamenti nel seme e nel suolo in campo di ceppi di Bacillus spp. contro Tabacco mosaic virus (TMV) e

Tomato mottle virus (ToMoV) (Murphy et al., 2000a; Zehender et al., 2001). Nel

lavoro di Ji et al. (2006) si è accoppiata l’azione di biocontrollo di ceppi di PGPR (Pseudomonas fluorescens, Bacillus pumilus) con agenti di controllo biologico, sostanze batteriofaghe somministrate sotto forma di spray fogliari, per combattere e/o diminuire la severità dei sintomi causati da Xanthomonas campestris pv.

vescicatoria nel pomodoro. I risultati del lavoro dimostrano l’efficacia dell’azione

combinata degli agenti di controllo e del meccanismo ISR, dovuto all’azione del trattamento dei PGPR nei semi e nelle radici, anche se i risultati ottenuti in campo, sono inferiori a quelli ottenuti dai saggi in serra. Nella ricerca di Raj et al. (2003), si confronta la migliore applicazione di 5 formulazioni commerciali contenenti ceppi di

Bacillus spp. interessati all’ISR contro Sclerospora graminicola sia nel seme, nel

suolo e nella duplice dose seme più suolo della coltivazione di miglio. Oltre a confermare l’efficacia di tutti i prodotti commerciali, dallo studio risulta che l’applicazione nel suolo dell’inoculo è la migliore applicazione, dando risultati maggiori dell’applicazione sul seme ed equiparabile a quella combinata seme più suolo.