Come le foglie rivelano le infezioni

Le macchie chiare e scure che talvolta notiamo sulle foglie di alcune piante verdi e che creano un effetto simile a un mosaico sono la prova visibile di un’infezione virale. Questi segni non sono solo un dettaglio estetico, ma il risultato di una lotta biologica intensa: da una parte il virus che si diffonde, dall’altra la pianta che attiva i suoi meccanismi di difesa.

Il primo a parlare di mosaico riferendosi alle piante è stato, a fine ’800, il chimico agricolo Adolf Mayer che, studiando una malattia del tabacco, definì questo sintomo “mosaico del tabacco”. Nel 1886, mentre lavorava come direttore della Stazione Sperimentale Agraria di Wageningen nei Paesi Bassi, pubblicò uno studio in cui descrisse una malattia delle piante di tabacco caratterizzata da macchie chiare e scure sulle foglie, che chiamò “malattia del mosaico”. Mayer fu il primo a dimostrare che la malattia del mosaico del tabacco era trasmissibile e osservò che applicando il succo delle foglie malate su piante sane queste sviluppavano la stessa malattia. All’epoca, l’esistenza dei virus non era ancora conosciuta, pertanto a Mayer non fu possibile isolare il patogeno responsabile della malattia. Pur non riuscendovi, le sue osservazioni aprirono la strada alla scoperta dei virus e alla nascita della virologia come disciplina scientifica.

“Le piante, a differenza degli animali, non possiedono un sistema immunitario per difendersi dai virus, ma utilizzano altri meccanismi, tra cui il ‘silenziamento genico’, che blocca la replicazione del virus impedendogli di proliferare,” spiega Livia Stavolone dell’Istituto per la protezione sostenibile delle piante (Ipsp) del Consiglio nazionale delle ricerche. “Ma il virus, a sua volta, ha sviluppato delle strategie per aggirare questo meccanismo di difesa, bloccando il silenziamento genico. Questa microscopica battaglia molecolare produce nelle foglie aree infette e aree sane che appaiono, macroscopicamente, come mosaici”.

I mosaici delle piante, insieme ad altri sintomi causati dai virus, sono responsabili ogni anno di una perdita globale del 10-15% dei raccolti. Attualmente, non esiste alcun trattamento chimico in grado di proteggere le piante dai virus, quindi l’unica difesa possibile è sviluppare piante più forti e capaci di attivare efficacemente i loro meccanismi di difesa. Al Cnr-Ipsp, numerosi ricercatori sono impegnati nello studio dei virus che colpiscono le piante ortive, arboree e ornamentali, con un’attenzione particolare ai meccanismi di difesa delle piante contro le infezioni virali che devastano i raccolti a livello globale. Questi problemi sono particolarmente gravi nei Paesi in via di sviluppo, soprattutto nelle regioni tropicali e sub-tropicali, dove oltre il 50% della popolazione dipende dall’agricoltura. Qui, le malattie virali delle piante causano danni economici enormi e le soluzioni per proteggere le colture sono spesso difficili da implementare. “Per questo collaboriamo con i ricercatori dell’International Institute of Tropical Agriculture (Iita) in Nigeria per combattere il virus africano del mosaico della cassava (African Cassava Mosaic Virus – Acmv), un virus a Dna che è causa della più grave malattia della cassava nel continente africano e in India”, afferma la ricercatrice.

La cassava, nota anche come manioca, è una pianta arbustiva originaria della foresta amazzonica, ma è ampiamente coltivata in tutte le regioni tropicali e sub-tropicali per le sue radici ricche di amido da cui si ricava una farina essenziale per l’alimentazione di oltre 800 milioni di persone nel mondo. Il virus africano del mosaico della cassava si diffonde rapidamente nelle coltivazioni di questa pianta sia attraverso l’insetto vettore Bemisia tabaci, sia attraverso la pratica agricola di moltiplicazione tramite talee infette. L’infezione, sebbene crei un mosaico fogliare dall’aspetto spettacolare, ha conseguenze devastanti: blocca la crescita della pianta e riduce drasticamente la produzione delle coltivazioni. Fortunatamente, tra le varietà autoctone di cassava raccolte in tutta l’Africa occidentale alcune hanno mostrato una naturale resistenza all’infezione da Acmv. Queste varietà sono state quindi utilizzate in programmi di selezione genetica per sviluppare piante resistenti al virus, destinate agli agricoltori. Tuttavia, è emerso che l’efficacia della resistenza è fortemente correlata alle condizioni di crescita: in determinate condizioni, infatti, il virus riesce ancora a superare le difese delle piante. Inoltre, le varietà selezionate spesso non soddisfano i consumatori in termini di gusto e qualità di cottura.

Nonostante decenni di ricerche volte a comprendere le basi genetiche di questa resistenza, essenziali per trasferirla a varietà di cassava più adatte all’alimentazione, i geni e i meccanismi responsabili della resistenza all’Acmv rimangono ancora sconosciuti. “Per affrontare questa sfida abbiamo adottato un approccio innovativo basato sulle scienze omiche. Queste discipline utilizzano tecnologie avanzate per generare e analizzare, con l’aiuto della bioinformatica, grandi quantità di dati per l’interpretazione di sistemi biologici”, sottolinea Stavolone. “Fondamentale in questo lavoro è la collaborazione con l’Istituto di tecnologie biomediche del Cnr, dove il team di Andreas Gisel svolge un ruolo chiave nell’analisi bioinformatica dei dati, aiutandoci a decifrare i complessi meccanismi di resistenza della cassava. Analizzando le differenze nell’espressione genica tra piante di cassava resistenti e suscettibili all’infezione virale abbiamo identificato un gene che, nelle piante vulnerabili, viene attivato dal virus per facilitare il suo movimento da una cellula all’altra e attraverso il sistema vascolare, diffondendo così l’infezione in tutta la pianta. Questo risultato rappresenta un importante passo avanti ed apre nuove possibilità per il miglioramento genetico della manioca”.

Recentemente, gli scienziati hanno compreso che, poiché l’affermazione di una variante genica in una popolazione richiede molte generazioni, le piante, così come altri organismi viventi, compreso l’uomo, ricorrono a meccanismi epigenetici per rispondere rapidamente allo stress e ai cambiamenti ambientali. “I meccanismi epigenetici sono processi che regolano l’espressione dei geni senza alterare la sequenza del Dna. Questi meccanismi influenzano quali geni vengono attivati o disattivati in una cellula, determinando come le informazioni genetiche vengono utilizzate per sviluppare e mantenere le caratteristiche di un organismo”, precisa l’esperta.

Tra questi meccanismi, svolge un ruolo cruciale la metilazione del Dna, una modifica chimica che comporta il mascheramento di alcune informazioni genetiche contenute nel genoma dell’individuo ad opera di enzimi specifici. “Questo processo contribuisce all’ereditarietà di caratteristiche fenotipiche diverse in organismi geneticamente identici. Abbiamo scoperto che la cassava sfrutta ampiamente la metilazione del Dna per difendersi dal virus africano del mosaico della cassava”, conclude Stavolone. “Confrontando i profili di metilazione del Dna in piante di cassava con lo stesso genoma ma con diversa capacità di resistere all’infezione da Acmv, abbiamo osservato che, in risposta all’infezione, le piante suscettibili modificano il loro profilo di metilazione, rendendolo simile a quello delle piante resistenti. Questo suggerisce che lo stato di metilazione nelle piante resistenti è un fattore chiave nella loro difesa contro il virus e che le piante suscettibili tentano di adattarsi per difendersi”.

Passo dopo passo, scoperta dopo scoperta, i ricercatori del Cnr stanno dunque cercando di capire come aiutare le piante a difendersi dai virus e a riportare il verde nei loro mosaici fogliari.

[Almanacco della Scienza N.8, settembre 2024]