La gestione delle malattie delle piante nell’era post-genomica: dalla genomica funzionale all’editing genomico

La difesa delle colture, per essere ecologicamente sostenibile, socialmente equa ed economicamente accettabile, si baserà, sempre di più, sulla disponibilità di conoscenze approfondite dei complessi  sistemi in essa coinvolti e sull’impiego ragionato di strumenti o tecniche che la ricerca ci mette a disposizione. Con questa idea in mente, assieme agli amici e colleghi Prof. David Collinge (University of Copenhagen, Denmark) e Prof. Alfredo Herrera-Estrella (Center for Research and Advanced Studies of the National Polytechnic Institute, Irapuato, Mexico), abbiamo coordinato il Research Topic ”Plant Disease Management in the Post-genomic Era: From Functional Genomics to Genome Editing” sulla rivista Frontiers. Come lascia intendere il titolo, questo Research Topic vuole offrire una visione aggiornata delle possibilità di impiego delle tecniche di sequenziamento genomico, della trascrittomica e metagenomica così come delle tecnologie basate sul RNA e di quelle di editing genomico, nella gestione delle malattie delle piante. La disponibilità di nuove tecniche molecolari e l’ampia quantità di informazioni “omiche” rendono le tecniche NGS (Next Generation Sequencing) uno dei nuovi strumenti – il cui potenziale di utilizzo non è stato ancora del tutto sfruttato - da impiegare nella difesa delle piante, intesa nella sua accezione più ampia.

L’ecogenomica sta incrementando la conoscenza delle complesse relazioni che si instaurano tra piante, patogeni, ambiente e altri organismi (inclusi quelli che, attualmente ed in maniera, forse, un po’ troppo antropocentrica, definiamo “benefici”) sia a livello di singolo organismo che di popolazioni, così come la metagenomica e la meta-trascrittomica posso dare un notevole contributo alla descrizione di quella porzione del microbioma che, modulando l’attività dei patogeni a favore dell’ospite vegetale, potrebbe essere sviluppato come principio attivo di prodotti per la difesa a base biologica. E’ quanto ci mostrano Cobo-Díaz et al. e Pereira et al. attraverso studi di metagenomica condotti, il primo, sulle comunità microbiche associate alle piante di mais colpite da Fusarium spp. per la selezione di nuovi antagonisti, e il secondo, su gruppi di endofiti che, grazie alla relazione mutualistica instaurata con la pianta, possono incrementare la tolleranza dei loro ospiti a stress biotici e abiotici.

Il numero di genomi sequenziati e rilasciati sta aumentando rapidamente. Questa “rivoluzione genomica” applicata alle piante, ai patogeni e ai loro antagonisti, fornisce un contributo importante alla conoscenza dei meccanismi alla base della patogenesi, della resistenza e del modo d’azione dei microganismi benefici. Il sequenziamento e l’annotazione del genoma del batterio endofita Paraburkholderia phytofirmans (Esmaeel et al.) hanno permesso di identificare tutti quei cluster genici che potrebbero contribuire all’adattamento a diverse condizioni ambientali di questo organismo benefico, così come al raggiungimento delle sue elevate capacità di adattamento. Allo stesso modo, il ri-sequenziamento del genoma di 52 isolati di Clonostachys rosea, condotto da Broberg et al., ha fornito importanti informazioni circa la capacità di questo fungo di adattarsi e svolgere la sua attività di protezione delle piante anche in particolari condizioni ambientali, ad es. in ambienti freddi. Il lavoro di Firrao et al., attraverso il sequenziamento di 11 isolati, europei e non-europei, del batterio patogeno Peudomonas syringae pv. actinidia (Psa), ha fornito conoscenza di grande interesse per la gestione di questo patogeno. Allo stesso modo, l’analisi del genoma dei batteri fitopatogeni Ralstonia solanacearum (Cho et al.) e Xantomonas oryzae pv. oryzae (Doucouré et al.) potranno avere importanti ripercussioni sullo studio della resistenza a questi patogeni.

Anche dal punto di vista della pianta, le tecniche genomiche e post-genomiche, come la proteomica, forniscono importanti opportunità per comprendere le malattie e la resistenza ad esse, tanto quanto per definire nuove strategie di controllo, così come descritto nel contributo di Leonetti et al. su cece o di de Lamo et al. in un sistema ospite/patogeno di grande importanza, quale pomodoro/Fusarium oxysporum. Altrettanto rilevanti sono i contributi di Ramirez-Valdespino et al. e di Voß et al. che, rispettivamente, hanno descritto il ruolo degli effettori nelle interazioni tra le piante ed isolati benefici di Trichoderma spp., così come durante le relazioni simbiotiche che le micorrize arbuscolari (AM) instaurano con le piante al fine di facilitarne la nutrizione minerale e conferire tolleranza a stress biotici e abiotici.

I progressi sin qui fatti nel campo dell’ingegneria genetica hanno creato nuove opportunità nella gestione delle malattie delle piante, come nel caso del RNA interferenziale (RNAi) e del genome editing, questo ultimo diventato rapidamente uno tra i più potenti strumenti per il ritocco del genoma delle piante, dei patogeni e dei microrganismi benefici. Nei funghi filamentosi, ad esempio, il silenziamento genico mediato dal RNAi modula importanti processi biologici inclusa la patogenicità, come mostrato da Gaffar et al. nel cui contributo si esplora il sistema RNAi in Fusarium graminearum al fine di sviluppare nuove strategie di protezione. La possibilità d’impiego della tecnica CRISPR/Cas9 applicata alle piante per l’incremento della resistenza a patogeni è stata ampiamente rivista da Borrelli et al. come uno strumento per incrementare la resistenza ai patogeni, divenendo così la naturale conseguenza di anni dedicati a leggere e decifrare i genomi. La possibilità di ritoccare i genomi dei funghi, descritta da Vicente Muñoz et al., è una ulteriore possibilità di gestire i patogeni vegetali attraverso la creazione di nuovi isolati di interesse per il controllo biologico che, normative permettendo, anche se rilasciati in campo, non comportano l’introduzione di transgeni nell’ambiente. 

La disponibilità delle NGS e di tutte le tecniche “omiche” ancora in via di sviluppo consente di aumentare la nostra conoscenza della complessa rete (a livello cellulare, individuale, di popolazione e di interi ecosistemi) che modula la risposta della pianta ed offre nuovi strumenti per reagire in modo rapido e sostenibile alle nuove, emergenti e ri-emergenti, malattie delle piante in un ambiente in continuo cambiamento.

Per accedere ai contributi inclusi nel Research Topic Plant Disease Management in the Post-genomic Era: From Functional Genomics to Genome Editing” (Frontiers in Microbiology e Frontiers in Plant Sciences) e scaricare il pdf dell’ebook: https://www.frontiersin.org/research-topics/7051/plant-disease-management-in-the-post-genomic-era-from-functional-genomics-to-genome-editing.