Fitoplasmi: prigionieri di piante ed
insetti o manipolatori dei loro
ospiti?
Cristina Marzachì
INRIM - Gli incontri del giovedì – 11/04/2013
I fitoplasmi
Sono batteri privi di parete
cellulare
Appartengono alla classe dei
Mollicutes
Non sono coltivabili in
coltura pura
D’Amelio et al., 2011
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I fitoplasmi
sono numerosissimi e molto
diversi tra loro
hanno una cellula piccola
(diametro tra 100 e 800 nm)
e un genoma composto da
un cromosoma di piccole
dimensioni (600 – 1200 kbp)
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I fitoplasmi causano malattie in molte specie di
piante da frutto, ortive, ornamentali e spontanee
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Proliferazione del melo
infetto
sano
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Flavescenza dorata della vite
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Lime witches’broom disease
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Fitoplasmosi di specie ornamentali e del cotone
Clover phyllody
Apple proliferation
X disease
Mulberry
dwarf
Hybiscus
witches’broom
Coconut lethal
decline
Flavescence
dorée
Lime
witches’broom
I fitoplasmi vivono all’interno delle
cellule dei vasi conduttori delle
piante
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Nelle cellule del floema i fitoplasmi si
moltiplicano e si spostano verso gli organi sink
Saracco et al., 2006
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I fitoplasmi si muovono attraverso i pori delle placche
cribrose
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La pianta spesso reagisce all’infezione chiudendo i
pori, per impedire la diffusione dei fitoplasmi alle
parti sane
Gamalero et al., 2010
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In natura i fitoplasmi sono trasmessi in maniera
persistente e propagativa da insetti Omotteri (cicaline,
cixiidi e psille) che si nutrono nel floema
ACQUISITION
LATENCY
INOCULATION
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Cicalina: Scaphoideus
titanus (leafhopper)
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Psilla(psyllids)
Cixiide (planthopper)
Nell’insetto i fitoplasmi, dopo aver attraversato la
barriera intestinale, si moltiplicano
Galetto et al., 2012
colonizzano i diversi distretti corporei fino alle
ghiandole salivari
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“CLOSED” CYCLE
FD
grape
Scaphoideus titanus
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grape
OPEN CYCLE
grapevine
FD
Dictyophora
europea
Clematis
FD
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Clematis
Difesa delle piante dagli erbivori e dai
patogeni
Barriere fisiche
Barriere chimiche
costitutive
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Barriere inducibili dirette e/o indirette
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Strategie degli erbivori e dei patogeni per
superare le difese delle piante
EFFETTORI
molecole che modificano la pianta ospite e ne
permettono la colonizzazione
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Perché i fitoplasmi dovrebbero
produrre effettori?
Per trasformare i tessuti della pianta dove vivono in
organi ‘sink’
Per impedire o ritardare la fioritura della pianta e
quindi mantenere la pianta in vita il più a lungo
possibile
Per rendere la pianta più appetibile all’insetto
vettore, aumentando quindi la probabilità di
dispersione
Per migliorare i parametri vitali dell’insetto e favorire
la probabilità dispersione
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Genoma di quattro fitoplasmi è stato completamente sequenziato e di
alcuni altri si dispone di sequenze non complete (draft)
Lunghezza variabile compresa tra 600 e 1200 bp
Ha struttura circolare (3 casi) o lineare (1 caso)
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Il genoma dei fitoplasmi è instabile a causa di integrazione di fagi, eventi
di ricombinazione e presenza di plasmidi mobili, ma anche per la
presenza di PMU
Il genoma dei fitoplasmi è andato incontro ad una progressiva riduzione
delle sue dimensioni.
Le sequenze dei quattro genomi di fitoplasmi disponibili indicano che la
riduzione è avvenuta a carico di categorie diverse di geni
Kube et al., 2012
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Nel genoma dei 4 fitoplasmi sequenziati i geni per le
proteine di trasporto attraverso la membrana di
sostanze diverse sono molto più frequenti di quelli
per le proteine dei processi metabolici e biosintetici
Fitoplasmi assumono dall’ospite la maggior parte
dei loro metaboliti di base
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Nel genoma dei 4 fitoplasmi sequenziati esiste ed è
funzionale il set minimo di geni necessari per
produrre un sistema di trasporto transmembrana
(tipo Sec) che trasporta le proteine al di fuori della
cellula del fitoplasma
I fitoplasmi sono capaci di secernere proteine
all’interno delle cellule della pianta e dell’insetto che
li ospitano
Le proteine per essere secrete attraverso il sistema
di trasporto Sec devono avere un segnale
all’estremità N terminale
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Esistono softwares bioinformatici per la ricerca di
questi segnali all’interno delle sequenze delle
proteine dei fitoplasmi
Fitoplasmi con ampia gamma d’ospite hanno almeno
40 proteine secrete
Fitoplasmi con ristretta gamma d’ospite hanno meno
proteine secrete
Queste proteine
EFFETTORI?
secrete,
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funzionano
come
Come si studiano gli
EFFETTORI?
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Hoshi et al., 2009
Tengu destabilizza il
meccanismo di biosintesi
e di comunicazione
dell’ormone auxina,
determina la crescita
disordinata e origina il
sintomo degli scopazzi
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Sugio et al., 2011
SAP54 induce numerose
malformazioni fiorali
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SAP 11 nella pianta
inibisce la produzione
dell’ormone acido
jasmonico, che la pianta
produce quando è
attaccata da erbivori per
allontanarli
La diminuzione del
jasmonato aumenta la
deposizione di uova da
parte dell’insetto
vettore
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Possibili vie di movimento degli EFFETTORI
nella pianta
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I fitoplasmi alterano le relazioni tra la pianta
e l’insetto vettore
Piante di melo infette dal fitoplasma dello scopazzo del melo hanno una
produzione elevata di una molecola che funziona da attrattivo per lo
psillide vettore del fitoplasma
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I fitoplasmi alterano le relazioni tra la pianta
e l’insetto vettore
Dalbulus maidis (Delong & Wolcott)
Arabidopsis thaliana
D. maidis vive e si riproduce sul mais, ma non si nutre né
depone uova su A. thaliana
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I fitoplasmi alterano le relazioni tra la pianta
e l’insetto vettore
Dalbulus maidis (Delong & Wolcott)
Arabidopsis thaliana infetta da fitoplasmi
D. maidis vive e si riproduce su A. thaliana infetta da
fitoplasmi, anche se non acquisisce né trasmette il batterio
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I fitoplasmi alterano le relazioni tra la pianta
e l’insetto vettore
Dalbulus maidis (Delong & Wolcott)
Arabidopsis thaliana geneticamente trasformata per
esprimere l’EFFETTORE SAP11
D. Maidis non si nutre né depone uova su A. thaliana
transgenica che esprime SAP11
Altri EFFETTORI da ricercare
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EFFETTORI del fitoplasma nell’insetto
(Toruno et al., 2010)
Alcune PMU del fitoplasma possono staccarsi dal cromosoma,
circolarizzare, diventare autonome all’interno della cellula del
fitoplasma e replicarsi più rapidamente del cromosoma
Questo accade quando il fitoplasma si trova nell’insetto vettore
I geni di queste PMU circolari sono molto più espressi di quelli delle
stesse PMU integrate nel cromosoma e tra questi si trovano, oltre ad
altre proteine, anche un potenziale EFFETTORE
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Le proteine tradotte dalla PMU circolare
potrebbero essere coinvolte
Invasione del corpo
dell’insetto
Superamento del
sistema
immunitario
dell’insetto
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Interazione di proteine di membrana del fitoplasma con
proteine solubili e di membrana dell’insetto
Mq
Macrosteles
quadripunctulatus
Kirschbaum
Ev
Euscelidius
variegatus
Kirschbaum
St
Scaphoideus
titanus
Ball
Ed
Empoasca
decipiens
Paoli
Zyginidia
pullula
Boheman
Zp
Ac
Aphis
craccivora
Koch
Mp
Myzus
persicae
Sulzer
Vectors
Non Vectors
Mq
Ev
St
Ed
Zp
Ac
Mp
Acquisiton
+++
++
+
+
−
+
+
Transmission
+++
++
+
+
−
−
−
Una proteina di membrana del fitoplasma interagisce in vitro con due proteine
dell’insetto: ACTINA (solubile) e ATP-SINTASI (presente anche nella membrana cellulare
dell’insetto)
Galetto et al., 2011
Vector status
Affinity
chromatography
Dot Far
Western Blot
SDSpage
W.
blot
Leafhoppers
Aphids
Mq
Ev
Ed
St
Zp
Ac
Mp
Acquisition
+++
++
+
+
−
+
+
Transmission
+++
++
+
+
−
−
Amp
+
+
+
+
−
−
+
Art
−
−
−
−
−
−
−
His
−
−
−
−
−
−
−
K-
−
−
−
−
−
−
−
p42
++
++
+
+
−
−
−
p50
++
++
+
+
−
−
−
p55
++
++
+
+
−
−
−
Actin
+
+
−
+
−
−
−
ATP Syn. β
+
+
+
+
−
−
−
−
Alterano lo
sviluppo della
pianta
???
Alterano la
gamma
d’ospite
dell’insetto
SAP36?
Tengu,
SAP54,
SAP11
SAP11
Fitoplasmi: prigionieri di
piante ed insetti o
manipolatori dei loro
ospiti?
Evadono
sistema
immunitario
Alterano le
relazioni tra
fitoplasma e
insetto
SAP11
Migliorano
la fitness
dell’insetto
Determinano
Proteine di
membrana? specificità di
trasmissione
Grazie a
Flavio Veratti, Mariangela
d’Aquilio, Sabrina Palmano,
Luciana Galetto, Domenico Bosco,
Davide, Paolo, Mahnaz, Majid,
Chiara, Romina, Sabrina,
Valentina, Alessandra, Paolo e a
tutti gli altri che hanno collaborato
negli anni a questo lavoro
Grazie a voi per l’attenzione
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