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

La popolazione mondiale in continuo aumento comporta l'urgenza di ridurre le perdite di produzione agricola - causate da stress biotici e abiotici - e di considerare la sicurezza alimentare come una priorità. Con i suoi “Obiettivi per lo Sviluppo Sostenibile”, l'Agenda 2030 rimarca, a livello globale, la necessità di trovare soluzioni per nutrire la popolazione mondiale (fame zero) e invita a prestare attenzione all'impatto che le azioni umane hanno sull'ambiente. Al contempo, la “Farm to Fork Strategy” - posta al centro del “Green Deal Europeo” - fissa per il 2030 l’obiettivo di ridurre del 50% l’uso degli agrofarmaci al fine di alleviare la grave minaccia per la salute umana e l'ambiente che questi pongono.
Le piante coltivate sono continuamente minacciate da agenti patogeni, sia in campo che in post-raccolta, determinando perdite economicamente importanti e rendendo la sicurezza alimentare una grande sfida da affrontare. Per trovare soluzioni sostenibili per la difesa delle colture non si può prescindere, come noto, da un’accurata conoscenza del patogeno e della sua epidemiologia. Con l’idea di fornire un aggiornamento sui progressi raggiunti nella comprensione dell'ecologia, biologia e fisiologia dei patogeni delle piante, nonché nella gestione delle malattie da questi causate, dopo il successo della prima edizione del numero speciale "Plant Disease Management in the Post-Genomic Era: from Functional Genomics to Genome Editing" pubblicato sulla rivista Frontiers nel 2020, con gli 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 e pubblicato il secondo volume di questa raccolta di articoli.
La disponibilità di nuove tecniche consente analisi sempre più approfondite dei genomi dei patogeni delle piante, fornendo una risoluzione più affidabile nel discriminare background genetici altamente correlati. Nel lavoro presentato da Kulik e collaboratori, attraverso il sequenziamento dell'intero genoma (WGS), mediante analisi del polimorfismo dei singoli nucleotidi (SNP), è stato possibile identificare il patogeno Fusarium graminearum sensu stricto, una delle specie responsabili di importanti malattie nei cereali, e discriminarlo dalle specie criptiche incluse all'interno del “Fusarium Graminearum Species Complex – FGSC” (Xu e Nicholson, 2009), la cui diversità è un fattore chiave per definire le dinamiche e le relazioni evolutive alla base degli eventi epidemici.
I cereali rappresentano una delle principali fonti di nutrienti per gran parte della popolazione umana e la produzione di mais può essere influenzata in tutto il mondo da importanti patogeni come Colletotrichum graminicola, agente causale dell'antracnosi. Becerra e collaboratori hanno ri-sequenziato - rivelando nuove informazioni sulla sua struttura e contenuto - il genoma dell’isolato M1.001 di C. graminicola utilizzando una combinazione di due diverse tecnologie di sequenziamento, Illumina e PacBio. Gli autori hanno ottenuto un assemblaggio a livello di cromosoma che ha permesso la scoperta di una maggiore densità di elementi ripetitivi e RIP nei cromosomi dispensabili (MC) che potrebbero essere collegati all'adattamento e/o alla coevoluzione dell'ospite di questo fungo.
Colture non convenzionalmente definite alimenti di base (staple food) svolgono un ruolo importante nell'economia di diversi Paesi. Un esempio pertinente è la palma da datteri, ampiamente coltivata in tutto il Nord Africa, in particolare in Tunisia dove il 10% della popolazione dipende economicamente da questa coltura. Nel lavoro di Rabaaoui e collaboratori è stato utilizzato un approccio polifasico per identificare i ceppi di Alternaria e Curvularia (patogeni di Phoenix dactylifera L.) e per stabilire la loro capacità di produrre micotossine, come l'alternariolo e la fumonisina B, con risultati importanti in termini di possibile rischio per i consumatori.
Gli oomiceti - organismi simili ai funghi e appartenenti al Regno dei Chromista – possono essere responsabili di malattie devastanti nelle piante sebbene alcune specie siano state studiate anche come agenti di controllo biologico nei confronti di insetti, funghi e altri oomiceti dannosi. Partendo dall’evidenza che il silenziamento dell'RNA può svolgere un ruolo nella patogenicità delle specie di Phytophthora, è stata presentata una prima indagine su come questo meccanismo molecolare possa influenzare, in questo organismo, la regolazione dei geni coinvolti nella patogenesi e nel biocontrollo (Piombo et al.). Il lavoro suggerisce come gli sRNA di oomiceti possano regolare gli effettori che potrebbero essere coinvolti nel processo di infezione e colonizzazione dell'ospite e come il movimento dei microRNA possa svolgere un ruolo nel biocontrollo, aprendo così la strada a future applicazioni pratiche in campo.
Un altro importante oomicete, responsabile di ingenti perdite economiche dovute alla mancanza di un efficace sistema di controllo della malattia, è Plasmopara viticola, agente causale della peronospora della vite, che colpisce gravemente la viticoltura in tutto il mondo. In Koledenkova et al. sono state revisionate la storia, distribuzione, epidemiologia, tassonomia, morfologia, riproduzione e i meccanismi di infezione di questo patogeno. Gli autori evidenziano come le moderne tecniche molecolari offrano approfondimenti sulla suscettibilità di P. viticola ai trattamenti di difesa e sugli aspetti genetici della resistenza nelle piante, fornendo così un aggiornamento sulle strategie disponibili, inclusi metodi sostenibili come l'uso di agenti di controllo biologico (BCA).
Lo sfruttamento dei BCA (Collinge et al., 2022) sta riscuotendo sempre più interesse e la disponibilità delle tecniche definite “post-genomiche” facilita la comprensione delle complesse e affascinanti interazioni che avvengono nella interazione tri-trofica pianta-patogeno-organismi benefici. In un secondo lavoro pubblicato nella raccolta qui presentata, Piombo e collaboratori hanno analizzato la composizione e l'attività del secretoma di Clonostachys rosea per rivelare il coinvolgimento - come forza motrice dell'adattamento fungino alle nicchie ecologiche e alle interazioni ambientali - delle sue proteine nelle interazioni fungo-fungo (micoparassitarie) e fungo-pianta stabilite da questo ben noto agente di controllo biologico (Jensen et al., 2022).
Isolati fungini appartenenti al genere Trichoderma, così come alcuni isolati di Clonostachys rosea, rappresentano i funghi filamentosi più frequentemente utilizzati come agenti di controllo biologico di numerose malattie di interesse agrario (Sarrocco, 2023), con risultati promettenti anche nella gestione della fusariosi della spiga di frumento, una malattia che minaccia a livello globale la produzione e la qualità dei cereali (anche) a causa della contaminazione da micotossine (Khairullina et al., 2023). Tuttavia, c’è il timore che l'applicazione di organismi benefici possa avere importanti conseguenze ecologiche a causa dell’introduzione di nuovi isolati in un ambiente già strutturato dal punto di vista delle comunità batteriche e fungine naturalmente presenti. Alukumbura e collaboratori hanno utilizzato un approccio metagenomico per studiare i possibili impatti dell’isolato Trichoderma gamsii T6085 – da anni studiato come fungo benefico per il controllo della fusariosi della spiga di frumento - sul microbioma associato al grano, dimostrando così che il trattamento con T6085 non causa alcun riarrangiamento su scala comunitaria. I dati hanno rivelato, inoltre, la presenza di diversi altri taxa (sia batterici che fungini) che meriterebbero ulteriori analisi per un loro possibile utilizzo come potenziali BCA da integrare con T. gamsii T6085.
I progressi nell'editing genomico hanno recentemente fornito nuovi strumenti per controllare le malattie delle piante. La tecnica CRISPR-Cas9 è stata utilizzata da Lucioli e collaboratori per causare la distruzione del gene eIF4E1 con l'obiettivo di ampliare lo spettro di resistenza al Potato Virus Y (PVY) in Solanum tuberosum L. cv. Desirée, attraverso una piramidizzazione della resistenza recessiva mediata da eIF4E. Gli autori hanno spiegato come i nuovi approcci di modifica genetica possano essere utilizzati in modo proficuo per estendere lo spettro di resistenza ai virus nelle cultivar di patata considerate “d'élite”, al fine di preservarne i tratti caratteristici.

Per accedere ai contributi inclusi nel Research Topic “Plant Disease Management in the Post-Genomic Era: From Functional Genomics to Genome Editing, Volume II” (Frontiers in Microbiology):
https://www.frontiersin.org/research-topics/28439/plant-disease-management-in-the-post-genomic-era-from-functional-genomics-to-genome-editing-volume-ii