I girasoli possono essere raccolti per una serie di prodotti, tra cui semi e olio, per i quali la domanda dei consumatori è aumentata in modo significativo negli ultimi anni. Potrebbero anche contribuire alla resilienza climatica, notano i ricercatori, poiché possono adattarsi a varie condizioni meteorologiche e i germogli di girasole contengono sostanze nutritive che possono promuovere la salute umana.

Sfortunatamente, come molte altre piante, i girasoli sono suscettibili alle malattie, che possono causare perdite significative nei raccolti. Ad esempio, la muffa bianca, causata dal fungo patogeno Sclerotinia sclerotiorum, è responsabile di perdite medie annuali di raccolto di girasole superiori all’1%. Può colpire anche fagioli, melanzane, lattuga, arachidi, patate e soia, in alcuni casi distruggendo il 100% dei raccolti.

Sebbene l'approccio alla gestione di malattie come la muffa bianca si sia in genere concentrato sulla genetica delle piante, uno studio pubblicato su Molecular Ecology e guidati dai ricercatori dell'Università del Colorado Boulder suggeriscono che anche le comunità di organismi microscopici attorno alle radici delle piante svolgono un ruolo importante e che la variazione genetica delle piante, di fatto, influenza i microbiomi associati.

Esperimenti sul campo e in serra

La ricerca includeva uno studio in serra e un esperimento sul campo che i ricercatori hanno condotto utilizzando diverse razze di girasoli di cui hanno estratto e sequenziato il DNA.

Venti piante di ciascuna razza di girasole sono state coltivate in un unico campo che i ricercatori prevedevano contenesse microbi ostili al patogeno Sclerotinia. Alcune piante erano infette, mentre altre no, il che era necessario per distinguere tra i microbi rilevanti per lo studio e quelli che approfittano della morte dei tessuti causata dalla Sclerotinia.

Nell'esperimento in serra, i girasoli sono stati coltivati ​​in terreno prelevato dallo stesso ambiente utilizzato nell'esperimento sul campo, metà del quale era stato sterilizzato per rimuovere eventuali microbi.

Le piante sono state infettate e valutate per la loro resistenza alla malattia, consentendo ai ricercatori di determinare l'importanza dei microbi rispetto ai risultati ottenuti da diverse razze di girasole nell'esperimento sul campo. Se i girasoli coltivati ​​in terreno sterile fossero meno resistenti alle malattie, ciò dimostrerebbe che i microbi conferiscono resistenza alle malattie alle loro piante.

I ricercatori hanno scoperto che 42 tipi di microbi erano associati alla resistenza alle malattie. L'esperimento in serra ha dimostrato che questi microbi sono molto importanti per la resistenza alle malattie delle piante, poiché i girasoli nel terreno sterile morivano ben 19 giorni prima rispetto ai loro omologhi.

Successivamente, l'abbondanza dei principali microbi è stata associata alle caratteristiche genetiche delle diverse piante e i ricercatori hanno scoperto che alcuni geni corrispondevano a una maggiore abbondanza di microbi.

Tutto ciò suggerisce che diverse razze di girasole si sono adattate geneticamente per aumentare il numero di microbi utili nel terreno vicino e quindi migliorare la loro resistenza alla muffa bianca, hanno concluso i ricercatori. Poiché l'associazione tra pianta e microbo è genetica, può essere ereditata ed è quindi possibile coltivare questa resistenza attraverso la riproduzione, tra gli altri metodi.

Microbi e resistenza alle malattie delle piante

Prima dello studio, non era chiaro quale effetto avessero le comunità microbiche sulla resistenza alle malattie delle piante, afferma Nolan Kane, professore associato di ecologia e biologia evolutiva della CU Boulder e noto ricercatore sui girasoli.

"Ci sono certamente alcuni casi documentati in cui questo è importante", dice, "ma per la maggior parte degli agenti patogeni, le piante hanno l'allele giusto in questo gene, e saranno resistenti a quell'agente patogeno, e se non hanno l'allele giusto allele destro, saranno suscettibili.

"(Gli esseri umani) hanno un sistema immunitario molto complesso in grado di riconoscere continuamente nuove proteine. Le piante hanno un sistema immunitario molto diverso che spesso viene semplificato riducendolo a un solo gene che rileva l'agente patogeno. Se la proteina patogena è una versione del gene può rilevare, la pianta sarà resistente, ma se non c'è la giusta corrispondenza, la pianta sarà suscettibile."

A differenza del sistema immunitario umano, il sistema immunitario delle piante non tiene traccia di ogni microbo che ha combattuto. Invece, riconoscono i modelli molecolari associati alla malattia utilizzando recettori specializzati. Ogni tipo di recettore può interagire solo con molecole di forme particolari, che si incastrano come pezzi di un puzzle. Una volta stabilito questo contatto, il recettore segnala una risposta di difesa.

Nel caso dei girasoli studiati da Kane e dai suoi colleghi ricercatori, almeno per la Sclerotinia, le cose sono più complicate. "Questo era un caso in cui pensavamo davvero che potesse esserci un ruolo importante per il microbioma o qualche altro componente ambientale", afferma Kane. Come hanno scoperto i ricercatori, quattro tipi di batteri erano fortemente correlati alla resistenza dei girasoli al fungo patogeno, suggerendo che la loro intuizione era corretta.

Tuttavia, afferma Kane, "c'erano molti microbi correlati tra loro", il che significa che l'effetto potrebbe essere il risultato dell'intera comunità piuttosto che solo di questi quattro tipi di batteri, chiamati unità tassonomiche operative (OTU).

Tuttavia, continua Kane, "I quattro batteri che abbiamo evidenziato sono fortemente correlati con la resistenza ai patogeni e, quando li controlliamo, nessuno degli altri OTU correlati era significativo in associazione con la malattia", anche se i quattro batteri principali probabilmente non potevano migliorare individualmente la resistenza alle malattie, poiché "molti di questi microbi non crescono molto bene da soli o non si comportano allo stesso modo quando vengono coltivati ​​da soli."

Simbiosi pianta/microbo

I ricercatori hanno scoperto che più questi quattro batteri erano presenti nel terreno intorno alle piante, meglio se la cavavano contro la Sclerotinia sclerotiorum. Quindi, come fanno le piante a trarre vantaggio da questi batteri e cosa c'entra questo con la genetica vegetale?

A quanto pare, le piante possono coltivare una comunità di microbi utili nell'area del terreno attorno alle loro radici, nota come rizosfera.

"In generale, ci sono composti che le piante possono secernere che inibiscono alcuni microbi o ne promuovono la crescita", spiega Kane. La fotosintesi, il processo utilizzato dalle piante per convertire la luce in energia utilizzabile, produce molte molecole di carboidrati come zuccheri e amidi.

Per questo motivo, dice Kane, "Molte delle loro interazioni con i microbi coinvolgono zuccheri o carboidrati forniti dalle piante, e le piante traggono vantaggio dal recupero di azoto o di qualche altra cosa di cui hanno bisogno."

Le piante hanno tipi simili di relazioni simbiotiche con i funghi che traggono vantaggio dalla promozione. L'azoto è solo un esempio dei benefici che le piante ottengono dalle loro relazioni simbiotiche:"Nello studio che abbiamo fatto, non sappiamo se si tratta necessariamente dello stesso meccanismo, ma è probabile che ci sia una sorta di essudato radicale che sta modellando il microbioma," dice Kane. "Questo è uno dei meccanismi chiave utilizzati dalle piante."

Il modo in cui le piante interagiscono con i microbi nella rizosfera dipende dai loro geni. Per questo motivo, i ricercatori sono riusciti ad associare i quattro tipi di batteri a parti molto specifiche dei codici genetici dei girasoli.

Associazioni con microbi

Lo studio ha avuto anche altri risultati significativi. Ha dimostrato che quattro dei 40 campioni di girasole studiati resistevano alla Sclerotinia anche senza la protezione di batteri utili. Hanno ottenuto risultati peggiori nel terreno sterilizzato rispetto al terreno con batteri, ma si sono comportati significativamente meglio rispetto agli altri campioni.

"Potrebbe trattarsi di una sorta di capacità di rispondere all'agente patogeno in modo protettivo", afferma Kane. "Non sappiamo ancora se questo sarebbe un obiettivo riproduttivo utile perché potrebbero esserci dei compromessi, o potrebbe avere effetti protettivi limitati o assenti in condizioni normali." Tuttavia, "ciò dimostra che l'intera storia non riguarda solo i microbi. Esiste una componente importante, anche se più piccola, correlata alla genetica intrinseca delle piante."

La ricerca ha ispirato ulteriori domande sui costi e sui benefici della simbiosi con i microbi, sui meccanismi molecolari responsabili della variazione della simbiosi e sul significato delle interazioni tra genotipo e fattori ambientali.

Kane dice che lui e i suoi colleghi ricercatori "stanno esaminando alcune di queste linee in ambienti più diversi negli Stati Uniti e cercando di identificare se queste associazioni microbiche sono molto generali in una vasta gamma di ambienti, o se sono molto specifiche per un solo ambiente". ambiente."

Poiché questi studi vengono condotti nei campi degli agricoltori, le piante esaminate non saranno esposte ad agenti patogeni. I ricercatori si concentreranno invece sulle associazioni delle piante con i microbi, afferma Kane.

Allo stesso modo, Kane afferma:"Vedere questi effetti genetici in questo unico ambiente su così tanti microbi diversi è stato davvero emozionante perché suggerisce che i girasoli che abbiamo utilizzato in questo studio presentano alcune variazioni interessanti che potrebbero essere associate a un'ampia gamma di tratti diversi che non l'abbiamo esaminato, ma sarebbe davvero interessante esaminarlo nel lavoro futuro."

Molte colture hanno perso alcune delle loro associazioni microbiche attraverso la selezione, dice Kane, ma questo non è stato un problema per la popolazione oggetto dello studio, rendendolo potenzialmente prezioso per la ricerca futura.

Lo studio fornisce comunque un’idea di come le associazioni microbiche potrebbero essere utilizzate per proteggere le piante da sole. Il modo più semplice per farlo è allevare selettivamente le piante per i geni corrispondenti alla maggiore abbondanza di microbi utili nella rizosfera.

"Oltre all'allevamento", spiega Kane, "diverse pratiche agricole e pratiche ambientali potrebbero promuovere comunità utili o inibire comunità dannose". Nei casi in cui i microbi utili non sono già presenti, anche applicarli ai campi potrebbe essere importante.

"Probabilmente sarebbe una combinazione di più di una di queste cose diverse", dice Kane. Ci sono alcune aziende biotecnologiche che stanno già lavorando su "miscugli" microbici benefici per alcune colture, che potrebbero essere applicati ai campi o spalmati sui semi delle piante.

Questo studio "potrebbe aiutare, certamente con la selezione dei girasoli", conclude Kane, ma anche "aiutarci a capire come allevare in modo più efficace altre specie, e anche alcune conoscenze di base non solo su come le piante interagiscono con il loro ambiente, ma su come l'intera comunità sotto il suolo agisce per influenzare tale interazione."