Grano Sotto Attacco: Decifriamo i Segreti della Resistenza alla Fusariosi!

Ciao a tutti! Oggi voglio parlarvi di una sfida enorme per chi coltiva il grano, una di quelle battaglie silenziose che si combattono nei campi e che finiscono per influenzare quello che mettiamo in tavola. Parliamo della Fusariosi della spiga (in inglese Fusarium Head Blight, o FHB), una malattia causata da un fungo, il Fusarium graminearum, che sta diventando un vero incubo a livello globale.

Il Nemico Invisibile: Cos’è la Fusariosi e Perché Fa Paura

Immaginate le nostre belle spighe di grano dorate, pronte per diventare pane, pasta, biscotti… Ecco, questo fungo attacca proprio lì, durante la fioritura. Il risultato? Non solo perdite di raccolto che possono arrivare fino all’80% (un disastro!), ma anche la produzione di micotossine pericolose, come il deossinivalenolo (DON). Queste tossine contaminano i chicchi e rappresentano un rischio serio per la sicurezza alimentare e la nostra salute.

Negli ultimi anni, complici il cambiamento climatico, certe pratiche agricole e la resistenza del fungo ai trattamenti, la FHB si è diffusa sempre di più, anche in zone dove prima non era un problema. Trovare varietà di grano resistenti è diventato quindi fondamentale, ma non è affatto semplice. La resistenza alla FHB è una faccenda complessa, un tratto “quantitativo”, il che significa che dipende da tanti geni diversi e viene influenzata parecchio dall’ambiente. Pensate che ci sono diversi tipi di resistenza: quella all’infezione iniziale (Tipo I), quella alla diffusione del fungo nella spiga (Tipo II) e quella all’accumulo di tossine (Tipo III). Un bel puzzle genetico!

La Nostra Missione: Ascoltare i Geni del Grano

Per cercare di capirci qualcosa di più, noi ricercatori ci siamo messi “all’ascolto” dei geni del grano. Come? Attraverso la trascrittomica. In pratica, abbiamo analizzato quali geni si “accendono” o si “spengono” quando il grano viene attaccato dal Fusarium. Abbiamo confrontato i dati di sei diverse varietà di grano, scelte apposta per avere livelli di resistenza differenti: dalla super resistente ‘Sumai 3’ alla suscettibile ‘Chinese Spring’ (CS), passando per varietà moderatamente resistenti come ‘Yangmai 158’, ‘XN511’, una linea ‘Hybrid’ particolare e una linea speciale chiamata ‘CS7E’ che porta un pezzo di cromosoma da un parente selvatico del grano (Thinopyrum elongatum).

Abbiamo raccolto campioni prima e dopo l’infezione artificiale con il fungo e poi abbiamo sequenziato tutto l’RNA messaggero (quello che porta le istruzioni dai geni alle “fabbriche” di proteine della cellula) e anche delle molecole più misteriose chiamate lncRNA (long non-coding RNA), che non producono proteine ma sembrano avere un ruolo importante nel regolare l’attività degli altri geni. Un lavoro enorme, pensate che abbiamo analizzato circa 2,45 Terabyte di dati!

Cosa Abbiamo Scoperto: Un Coro di Geni e lncRNA

E ragazzi, che risultati! Abbiamo identificato ben 26.767 geni che codificano per proteine e 2.463 lncRNA la cui attività cambiava in almeno una varietà di grano dopo l’attacco del fungo. La cosa affascinante è che moltissimi di questi (oltre 14.000 geni e 900 lncRNA) erano “specifici” di una certa varietà, suggerendo che ogni tipo di grano ha le sue strategie uniche per difendersi (o per soccombere) alla malattia.

Tra i geni che si attivavano, ne abbiamo trovati alcuni già noti per essere coinvolti nella resistenza a malattie in generale o proprio alla FHB. Parliamo di:

• Proteine di resistenza simili a Pm3
• Enzimi come la lattoilglutatione liasi e la glutatione S-transferasi (GST)
• Proteine chinasi e fosfatasi (che accendono e spengono segnali nella cellula)
• Proteine di resistenza della famiglia NBS-LRR e RPM1

Questi geni sono come i soldati e gli ufficiali dell’esercito di difesa della pianta.

Analizzando i pattern di espressione, abbiamo visto cose interessanti. Ad esempio, le varietà più resistenti come ‘Sumai 3’, ‘Yangmai 158’ e ‘XN511’ mostravano meno cambiamenti drastici nell’espressione genica dopo l’infezione rispetto alla suscettibile ‘CS’. È come se fossero già più “pronte” a rispondere, senza farsi prendere dal panico. La varietà ‘CS7E’, quella con il pezzo di cromosoma “alieno”, mostrava un pattern unico, con molti geni legati alla struttura della parete cellulare attivati, forse una strategia per bloccare fisicamente l’avanzata del fungo.

Le Vie Metaboliche della Difesa

Abbiamo anche guardato a specifiche “vie metaboliche”, cioè sequenze di reazioni chimiche che avvengono nella pianta. Tre in particolare sembrano cruciali:

1. La via dell’acido salicilico: Un ormone vegetale chiave per la difesa. Abbiamo visto geni importanti come NPR1 attivarsi in alcune varietà.
2. La via dell’acido jasmonico: Un altro ormone importante, coinvolto nella risposta a ferite e patogeni. Anche qui, geni come quelli della famiglia LOX si sono fatti sentire.
3. La via dei flavonoidi: Composti che possono agire come antiossidanti e rinforzare le pareti cellulari.
4. La via del glutatione: Questa è importantissima perché sembra legata alla capacità della pianta di detossificare le micotossine come il DON. Qui abbiamo notato differenze nette tra le varietà resistenti e quelle suscettibili.

Il Ruolo Misterioso degli lncRNA

E gli lncRNA? Queste molecole non codificanti sono emerse come attori importanti. Ne abbiamo trovati centinaia che cambiavano espressione, soprattutto nelle varietà ‘Hybrid’ (molti attivati) e ‘Yangmai 158’ (molti disattivati). Anche qui, molti erano specifici per una varietà. La cosa intrigante è che gli lncRNA possono regolare i geni vicini (regolazione cis) o lontani (regolazione trans). Abbiamo identificato centinaia di queste coppie lncRNA-gene, suggerendo una rete complessa di controllo. Immaginateli come dei direttori d’orchestra che, senza suonare uno strumento, influenzano tutta la musica.

Mettere Insieme i Pezzi: Reti e QTL

Per avere un quadro più completo, abbiamo usato un’analisi chiamata WGCNA (Weighted Gene Co-expression Network Analysis) per vedere quali geni e lncRNA “lavorano insieme”, formando dei moduli funzionali. Questo ci ha permesso di costruire una sorta di mappa delle interazioni, non solo all’interno del grano, ma anche tra il grano e il fungo! Abbiamo visto gruppi di geni attivi in specifiche varietà, legati a funzioni diverse: dalla produzione di energia (ATPasi) alla difesa (proteine del citocromo P450, proteine di trasferimento lipidico), fino ai fattori di virulenza del fungo stesso (sintesi della parete cellulare, chitina).

Ma il passaggio chiave è stato integrare i nostri dati con le conoscenze pregresse sulle regioni del genoma del grano associate alla resistenza alla FHB, i cosiddetti QTL (Quantitative Trait Loci). Ne conosciamo diversi, come Fhb1, Fhb2, Fhb4, Fhb5… Abbiamo cercato i nostri geni differenzialmente espressi proprio all’interno di queste regioni QTL. Bingo! Ne abbiamo trovati 172.

Analizzando più a fondo, abbiamo fatto centro: cinque geni coinvolti nella via metabolica del glutatione (uno per la sintesi e quattro per il trasferimento del glutatione) si trovavano proprio dentro la regione del QTL Fhb2, una delle più importanti per la resistenza di Tipo II derivata da ‘Sumai 3’. E non solo: questi geni mostravano pattern di espressione specifici per le diverse varietà, e due di essi sembravano essere regolati da lncRNA vicini (regolazione cis)! Questo è un risultato potentissimo, perché collega direttamente una regione genetica nota per la resistenza, una via metabolica chiave (detossificazione) e dei geni specifici, suggerendo che siano proprio loro i candidati ideali su cui lavorare.

Perché Tutto Questo è Importante?

Capite l’importanza di questi risultati? Non è solo scienza fine a sé stessa. Identificare i geni e i meccanismi molecolari alla base della resistenza alla FHB ci dà degli strumenti concreti.

• Possiamo sviluppare marcatori molecolari più precisi per selezionare le piante migliori nei programmi di miglioramento genetico.
• Possiamo capire meglio come le diverse varietà resistenti (come ‘Sumai 3’, ‘Yangmai 158’, ‘XN511’) mettono in atto le loro difese, magari combinando le strategie migliori.
• Possiamo avere dei geni “bersaglio” su cui lavorare, magari con le nuove tecniche di editing genetico, per creare varietà di grano super-resistenti.

L’obiettivo finale è proteggere i nostri raccolti, garantire cibo sicuro e di qualità per tutti e dare agli agricoltori strumenti più efficaci per affrontare questa minaccia. La strada è ancora lunga, ma studi come questo ci aiutano a decifrare il linguaggio complesso della battaglia tra il grano e il suo nemico fungino, un passo alla volta.

Fonte: Springer