Per ottenere una produzione di alimenti più sostenibile dal punto di vista ambientale è necessario ridurre gli input energetici e chimici in agricoltura, incrementando l’uso di pratiche che favoriscano la conservazione della fertilità biologica del suolo, cioè della capacità del terreno di recuperare nutrienti dalla sostanza organica e trasferirli alle colture attraverso l’azione dei microrganismi. La minore immissione di fertilizzanti chimici e di pesticidi non compromette infatti la produttività e la salute delle piante se manteniamo attive le comunità di batteri e funghi naturalmente presenti nel suolo, che sono coinvolte nei processi di degradazione, trasformazione e traslocazione dei nutrienti, e nella protezione delle piante dagli stress. I funghi capaci di formare micorrize, simbiosi mutualistiche tra funghi e radici delle piante, giocano un ruolo importante tra gli organismi benefici del suolo, per la loro capacità di facilitare la nutrizione delle piante e di ospitare batteri utili sulle loro cellule – le ife.
In questo ambito si colloca lo studio IBBA delle comunità microbiche associate alle radici delle colture agrarie, orientato soprattutto ad ottenere informazioni utili sulla biologia e genetica dei funghi micorrizici arbuscolari (MA), che sono capaci di formare simbiosi con le radici della maggior parte delle piante. Per lo studio dei funghi MA, che non possono completare il proprio ciclo vitale in assenza dell’ospite, abbiamo pianificato sistemi sperimentali con livelli crescenti di complessità, a partire da un sistema di co-coltura in vitro o in microcosmo della singola pianta con un singolo isolato per poi arrivare agli studi di comunità in ambiente controllato o in agroecosistema.
Nei sistemi sperimentali più semplificati abbiamo visto che le ife rispondono precocemente e selettivamente ai segnali chimici rilasciati dalle radici delle piante ospiti, crescendo in direzione della radice e ramificandosi per poi formare strutture infettive (appressori) e colonizzare le cellule radicali. Nelle cellule della radice il fungo MA forma strutture ad alberello (arbuscoli, indicati dalle frecce nella radice colonizzata della figura a) attraverso le quali riceve dalla pianta gli zuccheri e i grassi necessari alla sua crescita e fornisce in cambio i nutrienti minerali che assorbe dal suolo mediante il resto del suo “corpo”: il micelio extraradicale. Questa struttura (rete di filamenti esterna alle radici nella figura b), è comune sia alle micorrize formate da funghi MA che a quelle formate da altri funghi micorrizici, come quelli che si associano con le radici di piante forestali. Il micelio extraradicale si estende nel suolo molto più dell’apparato radicale della pianta, aumentando così la capacità di assorbimento di nutrienti minerali importanti, quali ad esempio fosforo, azoto, potassio, calcio, rame, zinco.
Quando inseriamo più piante nel nostro sistema sperimentale, vediamo che questa densa rete di ife che si estende dalle radici colonizzate collega le radici di piante appartenenti a specie, generi e famiglie diverse, trasferendo nutrienti e informazioni tra le reti associate a piante diverse (è visibile lo scambio di materiale cellulare tra le ife nella figura c). Mantenendo questo tipo di sistema sperimentale per lunghi periodi osserviamo che se una pianta ospite muore, la rete micorrizica che si era sviluppata dalle sue radici mantiene la vitalità e funzionalità, ed è ancora capace di “irretire” nuove piante. Un ruolo importante della rete micorrizica, osservato grazie alla marcatura di ceppi batterici capaci di fissare l’azoto atmosferico, è quello di fare da “autostrada” a batteri utili, che aderiscono alle ife e vengono da esse veicolati verso le radici dei loro ospiti (figura d). Studi ulteriori potranno evidenziare con quali meccanismi la rete trasferisca i segnali tra le piante e in base a quali caratteri selezioni i batteri associati.
La simbiosi con i funghi MA gioca un ruolo importante nella qualità delle produzioni vegetali a causa della maggiore espressione di geni i cui prodotti sono coinvolti nella risposta agli stress, nella difesa dai patogeni, nel trasporto dei nutrienti e anche nella sintesi di composti utili alla salute umana. Ad esempio nelle parti edibili possono accumularsi zinco, antocianine e antiossidanti, come nelle verdure da foglia, oppure calcio, potassio, fosforo e zinco, che insieme al licopene rendono più salutari i frutti di pomodoro delle piante micorrizate. Ma la risposta delle piante alla simbiosi dipende fortemente dalle condizioni ambientali e dall’identità dei simbionti. Lo studio dei determinanti genetici legati alla simbiosi su una ampia gamma di genotipi di grano ci ha permesso di identificare alcuni marcatori che potrebbero essere utili nella selezione assistita per ottenere varietà con maggiore suscettibilità alla micorrizazione, mentre nel fungo simbionte Rhizoglomus irregulare analizziamo diversità e espressione dei geni coinvolti nel trasporto del fosforo dal suolo alla pianta cercando parametri utili per la caratterizzazione funzionale degli isolati fungini.
Dobbiamo però pensare che la radice ospita un microbioma complesso, la cui struttura varia in funzione del suolo, della disponibilità di acqua e delle interazioni con altri organismi. Studi svolti in diversi scenari pedoclimatici potranno integrare i dati dei flussi di nutrienti suolo-fungo-pianta con quelli di metagenomi e metatrascrittomi delle comunità microbiche associate alla radice, con l’obiettivo di individuare le variabili che incidono significativamente sulla performance e sulla capacità di adattamento all’ambiente della pianta. Le informazioni ottenute permetteranno di caratterizzare a livello funzionale singoli isolati e consorzi multimicrobici ed individuare quelli più adatti ad ogni pianta ospite e ambiente, per conoscere, mantenere e, in caso di perdita di fertilità del suolo, ripristinare nelle piante un microbioma radicale efficiente.
Autore: Cristiana Sbrana
