Il Profumo Segreto dei Batteri: Come Rhodococcus ruber Potenzia le Piante e Combatte i Patogeni

Ciao a tutti! Oggi voglio portarvi con me in un viaggio affascinante nel mondo microscopico che si nasconde proprio sotto i nostri piedi, nel terreno. Parleremo di batteri, ma non di quelli cattivi! Parleremo di batteri “buoni”, noti come PGPR (Plant Growth-Promoting Rhizobacteria), che vivono vicino alle radici delle piante e, udite udite, le aiutano a crescere meglio e a difendersi dai nemici. Sembra fantascienza, vero? Eppure, è tutto reale e incredibilmente promettente per un’agricoltura più sostenibile.

Pensate a questi microbi come a dei piccoli aiutanti segreti delle piante. Lavorano in sordina, ma i loro effetti possono essere straordinari. Come fanno? Beh, i meccanismi sono tanti: rendono disponibili nutrienti come fosforo e potassio, producono sostanze che catturano il ferro (siderofori), fissano l’azoto dall’aria, sintetizzano ormoni vegetali… e, cosa che mi affascina particolarmente, rilasciano dei composti organici volatili (VOC).

Immaginate questi VOC come dei “profumi” speciali, messaggi chimici che viaggiano nell’aria o nel terreno. Sono molecole leggere, con un basso punto di ebollizione e un’alta pressione di vapore, capaci di coprire anche lunghe distanze. E la cosa pazzesca è che questi “profumi” possono influenzare altre piante o microbi senza nemmeno bisogno di un contatto fisico diretto! Possono stimolare la crescita delle piante, modificare l’architettura delle radici, anticipare la fioritura e persino indurre una sorta di “sistema immunitario” potenziato nella pianta, rendendola più resistente a stress e malattie.

Alla scoperta di un nuovo amico: GXMZU2400

La mia storia (o meglio, la storia di questa ricerca!) inizia in Cina, nella rizosfera (la zona di terreno vicina alle radici) di una pianta chiamata Spartina alterniflora, una specie nota per la sua capacità di crescere in ambienti difficili come le zone costiere. Proprio lì, è stato isolato un ceppo batterico particolarmente interessante, chiamato GXMZU2400.

Abbiamo iniziato a studiarlo da vicino. Al microscopio, abbiamo visto che si trattava di un batterio Gram-positivo, con una forma che poteva variare da filamentosa a bastoncello corto, tipica degli attinomiceti. Le colonie sulla piastra di coltura avevano un bel colore arancione acceso. Ma l’aspetto non basta! Per dargli un nome e cognome, abbiamo sequenziato prima un gene specifico (il 16S rDNA) e poi l’intero genoma. Confrontando le sequenze con i database esistenti e costruendo degli alberi filogenetici (una sorta di albero genealogico dei batteri basato su geni “essenziali”), abbiamo avuto la conferma: il nostro GXMZU2400 appartiene alla specie Rhodococcus ruber. Un nome forse poco conosciuto ai più, ma che si è rivelato pieno di sorprese!

Un “profumo” che fa crescere a vista d’occhio!

La prima cosa che volevamo capire era: questo Rhodococcus ruber GXMZU2400 è davvero un amico delle piante? Per scoprirlo, abbiamo fatto un esperimento semplice ma efficace usando delle piastre di Petri speciali, divise a metà (a forma di I). Da una parte abbiamo messo delle piantine di Arabidopsis thaliana (una piccola pianta modello molto usata in laboratorio), dall’altra il nostro batterio GXMZU2400. Importante: pianta e batterio non si toccavano, potevano comunicare solo attraverso l’aria, scambiandosi appunto i famosi VOC.

I risultati sono stati sbalorditivi! Le piantine di Arabidopsis esposte ai VOC di GXMZU2400 sono cresciute molto di più rispetto a quelle di controllo (che avevano solo acqua sterile dall’altra parte della piastra). Le foglie erano più lunghe (+57.2%) e più larghe (+27.2%), il numero di radici era aumentato drasticamente (+160.8%) e il peso fresco totale era schizzato alle stelle (+336.2%)! Addirittura, le piante trattate hanno iniziato a fiorire prima. Unica nota: la lunghezza delle singole radici era leggermente diminuita, suggerendo che il batterio promuove lo sviluppo radicale aumentando il numero di radici piuttosto che la loro lunghezza individuale. Questo è un fenomeno già osservato con altri PGPR. Abbiamo anche verificato che il batterio non fosse dannoso per piante di interesse agricolo, come il pomodoro. Anzi, irrigando le piantine di pomodoro con una soluzione diluita del batterio (arricchita con triptofano, un precursore di ormoni vegetali), abbiamo visto un aumento significativo dell’altezza (+46.7%), del numero di foglie (+26.0%) e del peso (+68% circa)!

Non solo crescita: un’arma segreta contro i nemici delle piante

Ma le sorprese non erano finite. Ci siamo chiesti: questi VOC, oltre a far crescere le piante, possono anche proteggerle dai patogeni? Abbiamo testato l’effetto dei “profumi” di GXMZU2400 contro cinque funghi fitopatogeni piuttosto temibili:

• Bipolaris sorokiniana (causa marciumi radicali nel grano)
• Cryphonectria parasitica (responsabile del cancro del castagno)
• Fusarium oxysporum (un flagello per moltissime colture, causa fusariosi)
• Fusarium pseudograminearum (un altro problema per i cereali)
• Plectosphaerella cucumerina (colpisce meloni, cetrioli e altre verdure)

Anche qui, abbiamo usato un sistema di co-coltura senza contatto diretto. I risultati? I VOC di GXMZU2400 hanno inibito significativamente la crescita di tutti e cinque i funghi! Le percentuali di inibizione variavano dal 8.1% per P. cucumerina fino al 45.1% per C. parasitica. Non solo la crescita era ridotta, ma anche l’aspetto dei funghi cambiava: miceli meno densi, colori alterati, bordi irregolari… Era chiaro che il nostro Rhodococcus ruber aveva anche un’anima da “bodyguard” per le piante.

Qual è il segreto? Identifichiamo i composti volatili (VOC)

A questo punto, la domanda era ovvia: quali sono esattamente queste molecole “profumate” prodotte da GXMZU2400? Per scoprirlo, abbiamo usato una tecnica sofisticata chiamata SPME/GC-MS (Microestrazione in Fase Solida accoppiata a Gascromatografia-Spettrometria di Massa). È come avere un “naso elettronico” super sensibile capace di separare e identificare le singole molecole presenti nell’aria sopra la coltura batterica.

Analizzando i risultati e confrontandoli con un controllo (solo il terreno di coltura senza batteri), abbiamo identificato due composti principali rilasciati da GXMZU2400:

• Dimetil disolfuro (DMDS)
• Dimetil trisolfuro (DMTS)

Entrambi sono composti organici contenenti zolfo. L’analisi ha mostrato che il DMDS era il componente predominante, presente in quantità maggiore rispetto al DMTS. Avevamo finalmente dato un nome ai “profumi” segreti del nostro batterio!

DMDS e DMTS: i protagonisti svelati

Ora dovevamo verificare se fossero proprio il DMDS e il DMTS i responsabili degli effetti osservati. Abbiamo quindi acquistato queste due sostanze pure e le abbiamo testate separatamente, sempre tramite fumigazione (senza contatto diretto), sia su Arabidopsis che sui funghi patogeni, a diverse concentrazioni.

Effetti sulla crescita di Arabidopsis:

• Il DMDS ha mostrato effetti un po’ irregolari sulla lunghezza e larghezza delle foglie, ma a basse concentrazioni (1 μg/mL) ha aumentato significativamente il numero di radici. A concentrazioni più alte (100 μg/mL) ha incrementato il peso fresco.
• Il DMTS ha mostrato una tendenza a migliorare la larghezza delle foglie e, a basse concentrazioni (1 μg/mL e 100 μg/mL), ha aumentato significativamente il peso fresco. Tuttavia, attenzione! A concentrazioni elevate (10 mg/mL), il DMTS è risultato tossico, inibendo gravemente la crescita e causando la morte delle piantine. Questo dimostra un effetto bifasico dose-dipendente, comune per molte sostanze bioattive.

In generale, entrambi i composti sembravano contribuire alla promozione della crescita osservata con i VOC totali del batterio, anche se con modalità leggermente diverse. Il DMDS sembrava più legato allo sviluppo radicale, mentre il DMTS (a basse dosi) era efficace nell’aumentare la biomassa.

Effetti sui funghi patogeni:
Qui le cose si sono fatte ancora più interessanti. Sia il DMDS che il DMTS hanno inibito la crescita di tutti e cinque i funghi testati. Ma c’era una differenza cruciale:

• Il DMDS ha mostrato un buon effetto inibitorio (specialmente su C. parasitica), ma non sembrava uccidere direttamente i funghi. Probabilmente creava un ambiente sfavorevole che ne rallentava la crescita.
• Il DMTS, invece, si è rivelato molto più potente e, in molti casi, letale! Dopo la fumigazione con DMTS, alcuni funghi (come B. sorokiniana e P. cucumerina) non erano più in grado di crescere nemmeno se trasferiti su un nuovo terreno di coltura. Per altri (come C. parasitica e F. pseudograminearum), l’effetto tossico persisteva anche dopo la rimozione del DMTS. Anche su F. oxysporum, notoriamente resistente, il DMTS a dosi più alte mostrava una tossicità residua.

Questi risultati confermavano che DMDS e DMTS erano i principali responsabili dell’attività antifungina dei VOC di GXMZU2400, con il DMTS che emergeva come un potente agente biocida. È la prima volta che viene riportata l’inibizione di B. sorokiniana, C. parasitica, F. pseudograminearum e P. cucumerina da parte di DMDS e DMTS.

Cosa succede dentro la pianta? L’analisi del trascrittoma

Per capire ancora più a fondo come i VOC di GXMZU2400 influenzassero le piante, abbiamo deciso di “origliare” le conversazioni che avvenivano a livello genetico all’interno delle cellule di Arabidopsis. Abbiamo usato una tecnica chiamata RNA-seq (sequenziamento dell’RNA), che ci permette di vedere quali geni vengono “accesi” (sovra-espressi) o “spenti” (sotto-espressi) in risposta a un trattamento.

Analizzando migliaia di geni, abbiamo scoperto che i VOC di GXMZU2400 inducevano cambiamenti significativi nell’espressione genica della pianta. Due aspetti principali sono emersi:

1. Potenziamento della fotosintesi (via C4): Molti geni chiave coinvolti nella fissazione del carbonio, in particolare quelli associati alla via fotosintetica C4 (una via più efficiente rispetto alla C3, tipica di Arabidopsis), risultavano sovra-espressi. Geni come PPC3 (fosfoenolpiruvato carbossilasi), PCK1 (fosfoenolpiruvato carbossichinasi) e altri legati al metabolismo C4 erano più attivi. Questo suggerisce che i VOC potrebbero aiutare la pianta a catturare e utilizzare l’anidride carbonica in modo più efficiente, contribuendo alla maggiore crescita osservata.
2. Attivazione delle difese: Diversi geni noti per essere coinvolti nelle risposte di difesa della pianta contro i patogeni (come SUMM2, PR1, PDF1.2) erano anch’essi sovra-espressi. È come se i VOC mettessero la pianta in uno stato di “allerta”, pronta a reagire più efficacemente in caso di attacco da parte di funghi o altri nemici. Questo fenomeno è noto come induzione di resistenza sistemica (ISR).

Inoltre, abbiamo visto cambiamenti nell’espressione di geni legati al metabolismo dell’azoto (come NRT2.5 e NIA1, importanti per l’assorbimento e l’utilizzo dei nitrati) e alla segnalazione ormonale (come geni legati all’auxina, tipo IAA29, YUC8/9, e al jasmonato, tipo JAZ1), che sono cruciali per regolare la crescita e lo sviluppo della pianta. Curiosamente, un gene chiamato BPG4, la cui sovra-espressione è nota per inibire lo sviluppo dei cloroplasti e ridurre la clorofilla, era anch’esso attivato. Questo potrebbe sembrare controintuitivo, ma potrebbe essere un meccanismo di regolazione per ottimizzare lo sviluppo dei cloroplasti ed evitare danni da eccesso di luce, dato che le foglie erano più grandi.

Dal laboratorio al campo: prospettive future

Questa scoperta è entusiasmante! Abbiamo identificato un ceppo di Rhodococcus ruber (GXMZU2400) che, attraverso il rilascio di VOC specifici (principalmente DMDS e DMTS), è in grado sia di promuovere la crescita delle piante che di inibire funghi patogeni dannosi.

Cosa significa tutto questo in pratica? Significa che abbiamo tra le mani un potenziale candidato per lo sviluppo di nuovi prodotti per l’agricoltura sostenibile:

• Biofertilizzanti: Utilizzare direttamente il batterio GXMZU2400 o formulazioni basate su di esso per migliorare la crescita e la resa delle colture, riducendo la necessità di fertilizzanti chimici. L’esperimento sui pomodori suggerisce già un metodo di applicazione pratico.
• Biopesticidi: Sfruttare i VOC, in particolare il potente DMTS, per sviluppare nuovi agenti di biocontrollo contro le malattie fungine, offrendo un’alternativa più ecologica ai pesticidi di sintesi.

Certo, la strada dal laboratorio al campo è ancora lunga. Bisogna ottimizzare la produzione dei batteri e dei VOC, garantirne la stabilità e l’efficacia in condizioni reali (che sono molto più variabili di una piastra di Petri!), valutarne la sicurezza a lungo termine e i costi. Ma il potenziale c’è ed è enorme.

Studiare queste interazioni chimiche tra microbi e piante ci apre una finestra su un mondo complesso e affascinante, e ci fornisce strumenti preziosi per immaginare un futuro agricolo più verde, efficiente e rispettoso dell’ambiente. Il “profumo” segreto di Rhodococcus ruber potrebbe essere una delle chiavi per raggiungerlo!

Fonte: Springer