Resistenza delle piante agli insetti

Circa la metà di tutti gli insetti esistenti (un milione di specie descritte) sono erbivori, perciò si alimentano su piante vive

– L’abilità delle piante a persistere in tale ambiente ostile conta su evoluti sistemi di resistenza che permette loro di scappare dagli erbivori nel tempo e nello spazio

• Affrontandoli direttamente influendo – Sulla preferenza delle piante ospiti – Sul successo riproduttivo

• Combattendoli indirettamente– Per associazioni con altre specie

– La difesa delle piante contro gli erbivori possono cambiare

• Nel tempo evolutivo• Durante la vita di una pianta

Tipo di caratteristica difensiva

Modo di espressione Modo di azione

FisicaMorfologia e struttura della pianta

Costitutiva Difesa diretta(Antixenosi,antibiosi, tolleranza)

BiochimicaProteine e metaboliti tossici e antinutritivi

Indotta

EcologicaCoinvolgendo altre specie

Indotta Difesa indiretta(Interazione tritrofica)

Caratterizzazione dei tratti difensivi delle piante

Introduzione e storia della resistenza delle piante ospiti

La costituzione di piante resistenti all’insetto dannoso è una tecnica di protezione delle piante in uso da diversi anni

Da alcune testimonianze scritte si trae indicazioni che nei primi sistemi agricoli di Africa, Asia e America i coltivatori utilizzassero piante resistenti agli insetti, selezionandone forme resistenti

Tra il diciottesimo e l’inizio del ventesimo secolo furono sviluppate e coltivate piante resistenti

Nel 1792 Haven riporta che la varietà di grano “underhill” è resistente al dittero cecidomide Mayetiola destructor

Nel 1831 Lindel raccomanda le varietà di melo “winter majetin” e “Siberian bitter-sweet” perché resistenti all’Eriosoma lanigerum

L’uso di varietà di viti americane resistenti a

Phylloxera vitifoliae impedirono la disfatta

della viticoltura in Francia alla fine del 1800 dove

l’insetto era stato importato dagli USA

• Nel 1951 Painter pubblica il primo libro sull’argomento dal titolo “Plant resistance to insect pests”

• Nel 1978 Russel pubblica il volume “Plant breeding for pest and disease resistance”

• Nel 1979 Panda da alle stampe il volume “Principles of host-plant resistance to insects”

• Nel 1980 Maxwell e Jenning pubblicano il libro “Breeding plants resistant to insects”

• Nel 1989 Smith pubblica il libro “Plant resistance to insects. A fundamental approach”

• Nel 1994 Smith, Khan e Pthak pubblicano il libro “Techniques for evaluating insect resistance in crop plants”

• Nel 1999 Agrawal, Tuzun e Bent pubblicano il libro “Induced plant defenses againt pathogens and herbivores”

• Nel 2008 Schaller (ed.) pubblica il libro “Induced plant resistance to herbivory”

• Negli USA durante il 19° e l’inizio del 20° secolo furono segnalate più di 100 piante resistenti agli insetti

• Durante la “green revolution” (di cui, a quanto si dice, Norman Borlaug ne fu padre) uno dei successi spettacolari nell’uso della resistenza delle piante agli insetti è accaduto nell’Asia tropicale durante gli anni ’60 del secolo scorso – Quando furono introdotte cultivar di riso altamente

produttive resistenti agli insetti che sopperirono alle necessità alimentari di quelle popolazioni

• Le piante resistenti agli insetti non sono accettate dagli agricoltori – Quindi non sono state sviluppate

rapidamente come succede per le cultivar resistenti alle malattie

– Solo il 30% delle 300 cultivar registrate negli USA nel 1965 sono resistenti agli insetti contro il 65% resistente alle malattie

Perché cultivar resistenti agli insetti non sono entrate in programmi di

gestione di insetti dannosi?

• Per la relativa facilità con cui in passato le popolazione di insetti erano controllate con gli insetticidi

• Per la difficoltà di produrre piante resistenti agli insetti legata – All’ottenimento di insetti che si comportino in cattività come quelli

selvatici – Al costo di tale operazione – Alla quantità di tempo necessario per ottenere un qualche risultato

• Per il fatto che le cultivar resistenti sono per più della metà ottenute per il mais, la soia e il riso, per la loro alta resa per unità di superficie rispetto a ortaggi e fruttiferi e per fattori sociali

• Per il fatto che per gli ortaggi e i fruttiferi devono essere rispettati i fattori estetici – Questo perché spesso sono mangiati o preparati direttamente dal

consumatore senza che prima abbiano subito un processo industriale

• Questo portebbe il consumatore ad accettare più facilmente un una cultivar di mela che può ospitare meno insetti che una cultivar suscettibile per il fatto che il consumatore preferisce, comunque, sempre un prodotto integro

• Per il fatto che le ricerche di fruttiferi e ortaggi resistenti agli insetti vengono destinati meno risorse economiche in confronto a quanto viene dato per le stesse ricerche su granaglie

Le ragioni dei vantaggidella selezione

di piante resistenti agli insetti

• Di avere il controllo dell’insetto incorporato geneticamente nel costo del seme

• Di ridurre l’uso degli insetticidi, e così il costo della difesa– E’ stato dimostrato che Contarinia sorghicola che si sviluppa su piante di

sorgo resistente è più sensibile agli insetticidi

– Il carattere “digitato” della foglia e il carattere “frego bract” sono correntemente in uso per migliorare la penetrazione degli insetticidi nella chioma delle piante di cotone

• Di ridurre i residui degli insetticidi nei vegetali

• Di sinergizzare gli effetti degli agenti biologici di controllo degli insetti dannosi– Diminuendo il vigore e la fisiologia dell’insetto– Migliorando l’efficienza di ricerca dell’ospite da parte di predatori

e parassiti– Migliorando l’efficienza dei patogeni degli insetti

• Di limitare la diffusione di malattie delle piante da parte di insetti vettori– Nel caso in cui il virus è resistente e la pianta resiste al vettore

• La pianta normalmente causa una riduzione della diffusione del virus per un rallentamento nella crescita della sua popolazione

• Di essere cumulabili nel tempo– Infatti più a lungo è impiegata una resistenza efficace maggiori

sono i benefici• Panda ha dimostrato che l’uso di cultivar resistenti agli insetti

ha ridotto le loro popolazioni da 1.5 a 152 volte• Le coltivazioni con piante di riso resistenti agli insetti hanno

ridotto a circa la metà (14%) le perdite rispetto alle cultivar non resistenti (26%)

Le ragioni degli svantaggidella selezione

di piante resistenti agli insetti

• La incompatibilità di cultivar resistenti agli insetti con gli agenti del controllo biologico– In alcune cultivar i tricomi hanno effetti negativi sulla biologia di

insetti parassiti e/o predatori • Come succede in alcune cultivar di soia su cui è ridotta l’attività

di imenotteri parassitoidi a carico di coleotteri e lepidotteri dannosi

• Il tempo richiesto per la strutturazione di una cultivar resistente• Da 3 a 5 anni quando si tratta di limitare una specie di insetto • Più di 10 anni quando si tratta di limitare più specie di insetti

• Il costo da parte dei vivaisti per lo sviluppo di cultivar con una differente resistenza agli insetti per regioni geografiche diverse

• La difficoltà di incorporazione in cultivar caratteri di resistenza da piante selvatiche tassonomiche molto distanti dalla specie in miglioramento – Non è inusuale che queste piante possano avere

• Poca produzione • Pochi caratteri tipici • Suscettibilità alle malattie

• La “contro resistenza” di biotipi del fitofago verso cultivar resistenti che contano sull’effetto di un singolo gene (il gene migliore)

La resistenza delle piante ospitidi erbivori cosa esprime?

• Una qualità (caratteri) geneticamente ereditabile – Che si manifesta in individui di una cultivar o di

una specie pianta • Che risultano meno danneggiata in confronto agli

individui suscettibili

• Un valore comparativo ottenuto dal confronto con piante suscettibili in quel ambiente– Perché la resistenza è influenzata dalle

fluttuazioni ambientali

La resistenza delle piante contro gli erbivori può alterare i processi

dell’ecosistema

Folia non infestata

Lettiera più recacitrante

C:N = 15 C:N = 20

Folia infestata da erbivoro

= Composto difensivo basato su carbonio

Composti difensivi indotti basati sul carbonio

Lettiera normale

Rapporti tra pianta e insetto

Composti volatili da una pianta attaccata

Attivazione gene Segnale

Risposte indirette Risposte dirette

FeritaElicitori da insetti

SEGNALE

ATTIVAZIONE

GENE

Pianta

Componenti volatili

Barriere fisiche

Metaboliti secondari e proteine

Barriera nutrizionale

Inibitori

Insetto

Erbivori

Forma della foglia

Architettura della pianta

Metabolismo secondario

Composti volatili Attività aumentata

Alta specificità

Bifunzionalità

Alta complessità

•L’evitare•Nuovi metaboliti

•Evitamento spazio/temporale•Detossificazione•Sequestrazione dei veleni

•Utilizzazione di ospiti alternativi•Aumento del tasso di consumo•Modificazione della qualità nutritiva del tessuto della pianta ospite•Istituzione di associazioni con microorganismi

Migliorati gli enzimi digestivi•Alta attività•Modificazione dello spettro•Bassa sensibilità agli inibitori delle proteineProteinasi distrutive degli inibitoridelle proteine

ParassitoidiPredatori

Le piante chiacchierano, ma sono sorde?

Le piante in genere sono coinvolte nel chiacchiericcio e rispondono al segnale

proveniente dalle loro vicine danneggiate!

Or listening trees?Piante che parlano o che ascoltano

Le piante “parlano”– L’emissione di composti chimici che danno informazioni sul loro

stato di aggressione è considerata come l’abilità delle piante a parlare

Le piante “ascoltano”– Le piante ascoltano i messaggi provenienti dalle loro vicine che

arrivano con informazioni trasmesse • Sopra terra

– Le più conosciute » Sono rappresentate da sostanze chimiche volatili

• Sotto terra – Le meno conosciute

» Piante di fagiolo esposte alla rizzosfera di piante conspecifiche danneggiate sono state più attrattive verso i nemici degli erbivori

Le piante che “ascoltano” “rispondono” inducendo – Una difesa diretta che le rende resistenti all’attacco

successivo dell’erbivoro• La parziale defogliazione di alberi di ontano ha

indotto resistenza sia negli alberi defogliati che nei conspecifici vicini

– Gli effetti decrescono con la distanza e con il tempo dopo la defogliazione

• Piante selvatiche di tabacco che crescono vicine a piante di Artemisia tridentata danneggiate hanno un più alto livello dell’enzima difensivo polifenolossidasi rispetto a quelle che sono vicine a A. tridentata non danneggiate

– Una difesa indiretta che coinvolge il reclutamento di artropodi carnivori

Le piante rispondono all’erbivoro con emissioni di segnali chimici sopra e sotto terra che possono evocare risposte in1) Carnivoro nemico dell’erbivoro2) Erbivoro3) Piante vicineLa linea tratteggiata rossa rappresenta l’attacco dell’erbivoro sulla piantaLe linee blu rappresentano le emissioni dei segnali chimici che influenzano gli altri organismi, il loro spessore indica le conoscenze delle interazioni

Proposizioni mendeliane di una popolazione mista:

l’equilibrio di Hardy e Weinberge

l’evoluzione

• Se due alleli A e a sono rispettivamente presenti nei gameti della popolazione nelle proporzioni p e q e se gli individui si accoppiano in modo casuale la loro prole sarà

– Monozigote dominante in proporzione p² – Monozigote recessiva in proporzione q² – Eterozigote in proporzioni 2pq

• Nei gameti della prole – L’allele A sarà presente nella proporzione di p² + pq = p (p+q) – L’allele a sarà presente nella proporzione di q² + pq = q (p+q) – Poichè p+q =1 le due percentuali sono le stesse di quelle di partenza e cioè p e q

• Quindi le percentuali dei due alleli (A e a) nei gameti rimangono costanti di generazione in generazione

• Le condizioni che portano all’equilibrio di Hardy e Weinberg sono – Tre di natura statistica:

• Accoppiamenti equiprobabili, • Accoppiamenti casuali • Popolazioni sufficientemente grandi

– Due di natura fisica: • Il sistema deve essere stabile • Il sistema deve essere chiuso

• L’evoluzione avviene quando non si verificano almeno alcune delle condizioni che portano all’equilibrio di Hardy e Weinberg come– Accoppiamenti equimprobabili tipici della “selezione naturale”– Accoppiamenti non casuali tipici della “selezione artificiale”– Popolazioni non sufficientemente grandi che possono portare

alla “deriva genetica” di cui si distingue• Il “collo di bottiglia” conseguente ai pochi sopravissuti a

cataclismi • L’”effetto fondatore” conseguente ai pochi soggetti

distaccatisi dal gruppo

• L’instabilità del sistema può essere provocato da– Mutazione endogene (copiatura dei singoli alleli)– Mutazione esogene (danneggiamento dei singoli alleli)– Entrata (immigrazione) o uscita (emigrazione) di flussi genici nel

sistema (popolazione)

Teorie sulla strutturazione dei rapporti tra piante ed erbivori

• La teoria della coevoluzione di Ehrlich e Raven (1964)

• Descrive un particolare tipo di interazione evolutiva tra piante ed erbivori ed è

caratterizzata da un coordinamento nella evoluzione dei pool genetici delle specie

interagenti, dovute a reciproche interazioni selettive

La Coevoluzione può essere– Mutualistica

• Quando il tipo di interazioni sono positive per tutte le specie coinvolte

– Antagonista• Competitiva• Trofica (“arms race”)

–Coevoluzione Preda-Predatore–Coevoluzione Pianta-Erbivoro

Nella Coevoluzione “arms rare”Il primo passo è l’evoluzione di alcuni tipi di resistenza dell’ospite

– I geni che conferiscono resistenza dell’ospite sono favoriti dalla selezione perché riducono il tasso di attacco e aumentano il benessere

Il secondo passo è l’evoluzione della controresistenza del nemico naturale

– I geni che riducono l’effetto dannoso della resistenza dell’ospite e incrementano il benessere del nemico sono favoriti dalla selezione naturale

– Il completamento di questo secondo passo dispone ancora una volta l’evoluzione della resistenza nell’ospite che sarà seguita dalla controresistenza del nemico

•L’adattamento locale tra pianta e insetto – il tempo necessario per una generazione del nemico naturale è molto più

corto che quello della pianta ospite e quindi devono esibire un adattamento locale ai loro ospiti

• Questo può essere rilevato per mezzo del trapianto di nemici naturali tra popolazioni e ad ogni sito la suscettibilità all’attacco di nemici naturali è misurato

– La adattabilità locale del nemico è indicata dalla più grande suscettibilità dei nemici indigeni rispetto ai trapiantati

•Esistono due tipi basilari di interazione molecolare che dicono se l’insetto riesce a ridurre il benessere dell’ospite

– Primo tipo coinvolge il concetto di “arms race”• Il genotipo degli ospiti producono sostanze tossiche e inibitori di crescita• Il genotipo dell’insetto controresistente producono sostanze che

riducono o eliminano gli effetti della tossina– Secondo tipo coinvolge il sistema informativo di scambio

• Nella interazioni pianta insetto una risposta di difesa indotta è aumentata dal riconoscimento da parte della pianta della presenza del nemico per mezzo di recettori cellulari che riconoscono le sostanze prodotte dal nemico (elicitori)

• In questa situazione la coevoluzione procede per mezzo di successive modificazioni di recettori e elicitori e perciò si può dire coevoluzione delle informazioni

Esistono differenti tipi di coevoluzione che sono diversificate nel tipo di correlazione genetica tra resistenze

– Questo permette di inferire circa i fatti comuni di questi processi • Esaminando le strutture genetiche correlative

alla resistenza a differenti erbivori –In una varietà di popolazioni naturali di

piante

Coevoluzione non reciproca

Si tratta di una serie di eventi evolutivi

Una popolazione di una pianta viene mangiata da un insieme di specie di erbivori che ne deprimono il benessere

– La pianta è considerata geneticamente variabile per un carattere che riduce molti se non tutti gli erbivori

– La selezione impostata dagli erbivori conduce la pianta alla elaborazione evolutiva del carattere

–Che riduce fortemente il numero degli erbivori

–Che può anche eliminare localmente popolazioni di erbivori specialisti

La pianta resistente liberata dalla necessità di un maggiore assorbimento dal suo budget di risorse diventa

Più competitivaPiù abile a colonizzare nuovi habitat

La pianta resistente entrata nei nuovi habitat Può essere occasionalmente accompagnata da un ridotto flusso

genetico tra nuovo e vecchio habitat fatto che permette una speciazione

Quando la discendenza della popolazione della pianta diverge per differenti pressioni ambientali

Le ripetute speciazioni di questo tipo producono una “radiazione adattativa” che si concretizza

In una nuova specie di pianta con nuove caratteristiche di resistenza Questa nuova specie di pianta costituisce una “nicchia aperta” per

un erbivoro che può farsi strada attraverso la barriera di resistenza caratteristica di questa nuova specie

Insetti che mangiano su altre piante – Possono, occasionalmente, mettere insieme i

requisiti genetici necessari alla controresistenza– Questo genotipo “scappa” in una nuova zona

adattativa relativamente libera di competitori e nemici

• Questo mette la popolazione dell’erbivoro in condizione di incorporare nella propria dieta nuove specie di piante

– La diffusione dell’erbivoro entro nuove regioni dove ci sono le stesse piante con lo stesso tipo di resistenza può condurre a speciazioni e a radiazione adattativa dell’insetto

Questo tipo evolutivo di colonizzazione della specie ospite da varietà di erbivori può essere ripetuta nel tempo e allora può succedere che

• Il numero di erbivori associati con la specie di pianta aumenti

• La quantità cumulativa di erbivori con la specie di pianta aumenti

– Il carattere originale della resistenza • Diventa sempre meno efficace

Il ciclo di Coevoluzione riprenderà quando

– Una pianta della specie ospite differenzierà un nuovo carattere di resistenza.

– Ci sarà un nuovo gruppo di erbivori

La Coevoluzione non reciproca si manifesta quando

– I cambiamenti evolutivi successi nelle piante dovuti ad erbivori impongono una selezione

• Su una serie di erbivori diversi da quelli che hanno determinato questi cambiamenti

La selezione imposta da erbivori ha luogo – Perché una nuova caratteristica conferisca

protezione all’attacco di una serie di differenti erbivori

– Perché la stessa caratteristica conferisca resistenza verso una varietà di erbivori• I genotipi della pianta che sono resistenti a

un erbivoro dovrebbero essere resistenti ad altri erbivori

– La resistenza a differenti erbivori ci si aspetta che manifesti una correlazione genetica positiva

Le operazioni di Coevoluzione non reciproca partono

– Primariamente da una associazione tra particolari specie di insetto e una particolare specie di pianta su cui l’insetto mangia

• Specie della tribù Triodini (lepidotteri) mangiano su piante del genere Aristolochiaceae

– Secondariamente da una associazione tra specie di erbivori collegati con specie di piante non collegate

• Specie della subfamiglia Pierinae mangiano su piante della famiglia delle Crucifere

• Specie della subfamiglia Coliadinae si nutrono principalmente di Leguminose

Coevoluzione reciproca

Non coinvolge la speciazione• E’ legata a una competizione

evolutiva tra due (o ad alcune) popolazioni interagenti–Perché differenti copie (o gruppi) di

piante ed erbivori interagenti • Possono coevolvere in differenti

direzioni

Le operazioni di coevoluzione reciproca • Tendono a causare divergenze tra i composti

chimici e altri caratteri di resistenza delle piante ospiti

• Verso le relative specie erbivore collegate• Tendono a disgregare il modello di alimentazione

delle specie di erbivori collegate su specie di piante chimicamente simili

• Al contrario di quanto succede nel modello generato da una Coevoluzione non reciproca

• Una evidenza diretta delle operazioni della Coevoluzione reciproca – E’ molto difficile da ottenere perché si esplica

in molte generazioni– Una importante evidenziazione del fenomeno

è data dall’ analisi dettagliate dei reciproci adattamenti che appaiono in associazioni tra piante ed erbivori

Esempi di Coevoluzione reciproca

Ombrellifere/ Papilio polyxenesPassiflora/ Heliconiine

Aristolochia reticulata/ Battus philenor

Ombrellifere/ Papilio polyxenes– Le furanocumarine prodotte da molte Ombrellifere

• Sono tossiche per molti erbivori • Si presume abbiano selezionato meccanismi di detossificazione in alcuni

erbivori come Papilio polyxenes • Si presume abbiano causato l’estinzione di altri erbivori che mancavano

di variabilità genetica in rapporto a tale selezione – Gli erbivori tolleranti alle furanocumarine lineari

• Sono considerati quelli che hanno selezionato la produzione delle furanocumarine angolari in specie di Ombrellifere

– Questi erbivori si sono estinti o si sono evoluti successivamente per evitare le Ombrellifere contenenti furanocumarine angolari verso le quali non possono evolvere processi di detossificazione

• Da ciò si può dedurre dell’esistenza di due linee di Coevoluzione – Questo solamente perché tra i differenti tempi di evoluzione delle

furanocumarine lineari e angolari » Le specie di piante si sono divise in due linee indipendenti di

evoluzione e la specie erbivora tollerante verso una delle due furanocumarine è rimasta associata con questa

• La specie erbivora tollerante verso furanocumarine lineari è presente a tutt’oggi e sta a dimostrare

– La tossicità delle furanocumarine angolari verso gli erbivori tolleranti le furanocumarine lineari

• Passiflora/ Heliconiine (Lepidotteri) – I Lepidotteri appartenenti alla famiglia Heliconiine

hanno evoluto l’abilità apparente • Di tollerare i glucosidi cianogenetici presenti nella

Passiflora loro pianta ospite– Le specie di Passiflora a loro volta hanno evoluto

– Tricomi uncinati che uccidono le larve – Stipole che imitando le uova dissuadono l’ovideposizione

• Sembra ragionevole concludere che queste strutture si sono evolute in risposta alla selezione dovuta alle farfalle erbivore

• Aristolochia reticulata/ Battus philenor (Papilionidae Triodini)

• Le farfalle del genere Battus hanno evoluto meccanismi di detossificazione – Dell’acido aristolochio nelle loro piante ospiti, estremamente tossico

per altri insetti

• Nel Texas orientale Aristolochia reticulana ha evoluto una resistenza nelle foglie mature povere di nutrienti – Che riduce il danno dovuto alle larve di B. philenor– Il fatto che B. philenor fu un agente selettivo primario per

questa linea A. reticulana è suggerito • Dal forte impatto dannoso di questo erbivoro sulla sopravvivenza

e riproduzione della pianta, nonostante le foglie mature pongano resistenza ad essere mangiate

Esistono tre problemi con interpretazioni di questo tipo

Problema 1In nessuno di questi esempi si ha un’appropriata analisi filogenetica su insetti e piante per determinare se

Le filogenesi dei due soggetti esibiscono una cladogenesi (evoluzione associata con altre abitudini o habitat, di solito in popolazioni di specie isolate) parallela

Fenomeno che dimostra se una Coevoluzione reciproca è avvenuta

Problema 2Se una dettagliata filogenesi di una specie di insetto e delle piante ospiti appaino essere perfettamente unite

– Non si può inferire necessariamente che l’unione fu prodotta da coevoluzione reciproca: l’evoluzione delle furanocoumarine

• Inizialmente le specie erbivore 1 e 2 sono associate all’Ombrellifera A che succesivamente si divide in due A’ e A’’

– La specie erbivora 2 rimane associata con ciascuna Ombrellifera fino a quando si estingue per motivi ambientali sulla linea A’

• Successivamente l’erbivoro 1 che ha selezionato una pianta per la produzione di furanocoumarine lineari nella linea A’

– E’ incapace di adattarvisi e si estingue – Ancora più tardi l’ospite A’’ si estinguerà per ragioni ecologiche

• L’erbivoro 2 è lasciato senza pianta ospite – Ma è abile a persistere colonizzando la linea B ed evolvendo la tolleranza

verso le furanocumarine lineari • L’erbivoro 2 è adesso preadattato a colonizzare la linea dell’ospite B’ e in breve

tempo lo fa – Da allora in poi l’insetto esercita una sufficiente pressione selettiva sulla

linea B’ che conduce questo ospite ad evolvere furanocoumarine angolari alla quale l’insetto non si adatta

» L’insetto così si estingue sulla linea B’, ma persiste sulla linea B – Sotto questo scenario non c’è Coevoluzione reciproca

• L’erbivoro 1 impone selezione sulla Ombrellifera A’, ma non viceversa • L’Ombrellifera B impone selezione sull’erbivoro 2, ma non viceversa • L’erbivoro 2 impone selezione sulla Ombrellifera B’, ma non viceversa

Problema 3• Inferendo sulle operazioni di Coevoluzione reciproca tra

partner, come quelli descritti – Non si evidenza, normalmente, che gli erbivori abbiano

imposto una significativa selezione sulle loro piante ospiti

– La mancanza di tale evidenza preclude, ammettendone la possibilità, che le pretese difese chimiche evolvano per altre ragioni oltre che per proteggere le piante dagli erbivori

• Questi modelli sono considerati completamente in armonia con le operazioni della Evoluzione sequenziale (sensu Jermy 1976) invece che con qualche tipo di Coevoluzione

Coevoluzione reciproca specifica

E’ supportata– Dalla variabilità genetica di piante resistenti a

particolari erbivori – Dalla abilità di particolari erbivori a contrattaccare

• In questa casistica ricade – La conquista di un nuovo ambiente da parte di

Pastinaca selvatica, introdotta nel Nord America, come indica• Il fenotipo chimico, ben assortito, tra P.

selvatica e Depressaria pastinacella • Almeno una interazione furanocumarinica

caratteristica

subfamiglia Coliadinaesubfamiglia Pierinae Papilio polyxenes

Heliconiine Battus philenor Depressaria pastinacella

Coevoluzione diffusa

• La Coevoluzione diffusa si esprime in continui, piccoli e fluttuanti aggiustamenti nelle caratteristiche di resistenza delle piante– Quindi il cambio evolutivo maggiore è una

costante variazione non a lungo termine• Nella Coevoluzione diffusa

– I fattori di resistenza che vengono favoriti dalla selezione genetica da erbivoro sono

• Le difese generalizzate– Queste proteggono la pianta dalla maggior parte degli erbivori

nemici – Ed è detta anche resistenza orrizzontale

• La Coevoluzione diffusa – E’ dovuta a estese e forti correlazioni negative – Non è dovuta alla “corsa agli armamenti” (armes race)

che è in continua crescita ed è spesso associata con la Coevoluzione reciproca

• La Coevoluzione diffusa – Non è necessariamente quanto deve succedere ad

una pianta attaccata da molti erbivori • Perché è possibile, sotto alcune circostanze, che si

abbia una Coevoluzione reciproca tra la pianta e ciascuno degli erbivori

– Infatti se la resistenza ai differenti erbivori confrontate a coppie non sono correlate geneticamente

» Allora la risposta evolutiva della pianta alla selezione imposta da ciascun erbivoro può avvenire indipendentemente dalla selezione imposta dagli altri erbivori

La Coevoluzione diffusa è un processo che avviene quando

– Una popolazione di piante ospita molti e differenti erbivori suoi nemici

– In tale situazione la pressione selettiva esercitata da ogni particolare erbivoro sono relativamente deboli

– Differenti erbivori sono supposti esercitare frequentemente pressioni selettive conflittuali su linee resistenti

• Preservando la pianta dal subire una estensiva Coevoluzione reciproca con ciascuno degli erbivori in essa associati

Evidenza empirica sui tre tipi di Coevoluzione

• La mancanza di correlazione tra la resistenza a differenti insetti – E’ necessaria a un fenomeno di Coevoluzione reciproca

• Estese e forti correlazioni negative conducono – Alla Coevoluzione diffusa

• Una estensiva correlazione positiva indica che– Un singolo carattere resistente (o un gruppo di linee

controllate dallo stesso gene) è efficace contro la maggior parte degli erbivori come ci si aspetta sotto una Coevoluzione non reciproca

Esiste una mancanza di correlazione tra resistenze

• La resistenza a particolari insetti su determinate specie di piante

– E’ libera di evolvere indipendentemente dalla resistenza verso la maggior parte delle altre specie di insetti che attaccano queste piante

• Le strutture delle correlazioni genetiche rilevate da queste indagini suggerisce che

– La Coevoluzione reciproca può essere il modo dominante delle interazioni evolutive tra piante e i loro insetti erbivori

Due considerazioni1. Le correlazioni zero

Non sono attualmente significativamente correlate quindi non è possibile sapere quanto rappresentino una vera assenza di correlazione genetica tra le resistenze ai corrispondenti erbivori

2. L’indipendenza dei geni e dei caratteri associati che controllano la resistenza a differenti erbivori non garantisce che l’evoluzione della resistenza ad un erbivoro sarà indipendente dalla evoluzione della resistenza ad altri erbivori • In particolare l’interazione tra erbivori può ridurre o aumentare la

pressione selettiva che potrebbe altrimenti guidare la Coevoluzione reciproca

– Es. consideriamo due specie erbivore competitrici» I genotipi che selettivamente eliminano un erbivoro possono non

aumentare il benessere se l’abbondanza dell’altro erbivoro e il danno che causa aumenta per la mancanza di competizione

» In questa situazione la presenza del secondo erbivoro influenza la grandezza della pressione selettiva esercitata dal primo erbivoro sulla variazione genetica della resistenza

» In assenza del secondo erbivoro la Coevoluzione reciproca tra la pianta e il primo erbivoro può essere possibile

» La presenza del secondo erbivoro può prevenire la Coevoluzione reciproca

• Al fine di comprendere meglio la natura della Coevoluzione, per una varietà di associazioni di piante ed erbivori – Alcune importanti questioni necessitano di

essere indirizzate

Quale tipo di pressione selettiva gli erbivori impongono alle piante?

– Esistono pochissime prove che indicano gli erbivori quali agenti selettivi importanti nella vita delle piante

– Per ora non siamo portati a considerare gli erbivori come la causa potenziale per la Coevoluzione di ogni specie di pianta

– E’ importante determinare sotto quali condizioni gli erbivori impongono selezioni sulle piante che mangiano

– In aggiunta sono necessari studi che rilevino la natura di quella selezione

• La sua importanza• Se è direzionale o subdirezionale• Se è costante o intermittente• Se varia spazialmente da popolazione a popolazione

Quale pressione selettiva le piante esercitano sugli erbivori?

• Gli erbivori evolvono in risposta a specifiche caratteristiche delle loro piante ospiti e viceversa

– Sappiamo che non ci sono ricerche che dimostrano direttamente tale selezione su una popolazione naturale di erbivoro

• Una questione cruciale è il fatto che la Coevoluzione reciproca comune in natura sia legata

– Ad un carattere dell’erbivoro che evolve in risposta al cambiamento nella qualità della pianta ospite

• Gli erbivori di fronte a una recente evoluzione di una tossina della pianta hanno tre possibili risposte evolutive

– Possono evolvere un meccanismo di detossificazione che in effetti aumenta la quantità del fogliame contenente la tossina

– Possono evolvere un comportamento che li porta ad evitare le piante che contengono la tossina

– Possono non evolvere nulla e rischiano l’estinzione

• Le tre alternative hanno differenti conseguenze per la continuazione della Coevoluzione reciproca– L’evoluzione dell’ ”evitare” e dell’ “estinzione” interrompono la

Coevoluzione reciproca – L’evoluzione delle capacità di detossificazione permette alla

Coevoluzione reciproca di continuare • Ci sono stati tentativi per costruire modelli che predicono

• Quando ogni comportamento è evoluto • Quando il contro adattamento fisiologico evolverà

– Uno dei primi risultati di questi modelli potrebbe essere• L’identificazione dei parametri cruciali che devono essere

misurati in popolazioni naturali per dare almeno una ragionevole supposizione sulla evoluzione della contro risposta dell’erbivoro alla evoluzione nei loro ospiti

– I biologi empirici misureranno questi parametri in un numero di sistemi apparentemente Coevolventi determinando

• il numero di cicli di adattamento e contro adattamento attraverso i quali la Coevoluzione reciproca procede

Come è comunemente diffusa la Coevoluzione? – Per conoscere come la competizione nella resistenza a differenti

erbivori limita l’evoluzione della resistenza a particolari erbivori– Bisogna

• Correlare le strutture genetiche delle piante resistenti a differenti insetti

• Valutare l’attuale risposta evolutiva alla pressione selettiva esercitata da una grande comunità di erbivori

– Misurando la struttura della correlazione genetica – Misurando la struttura della correlazione fenotipica – Misurando la selezione sequenziale per un set di

caratteri di resistenza • Attraverso questi dati si potrebbe così

– Calcolare l’ampiezza e la direzione aspettata del cambiamento evolutivo

– Determinare se i caratteri resistenti » Furono legati ad uno stadio evolutivo invece che

ad una pressione selettiva opposta

Ripetendo questa operazione per un certo numero di anni sulla stessa popolazione

– Si potrebbe anche ottenere almeno una idea • Se queste matrici o vettori rimangono approssimativamente costanti

• Se la Coevoluzione secolare a lungo termine fu rallentata – Per variazione temporale nella pressione

selettiva – Per i parametri genetici della popolazione

La normale variazione genetica attuale nelle popolazioni è il reale materiale per la Coevoluzione ?

–Gli studi che tentano di misurare la forza Coevolutiva in una popolazione naturale assume il principio del attualismo (Il presente costituisce la chiave del passato) validamente applicato

• Questo fatto è rappresentato – Dalla variazione genetica per la resistenza normalmente presenti

in popolazioni di piante – Dalla selezione che agisce su queste variazioni, che sono

rappresentative di quelle coinvolte nei maggiori cambiamenti Coevolutivi

• Una ragione perché questo principio può non essere applicato è che la Coevoluzione reciproca è aspettata si fissi

–Su variazioni nuove per una effettiva rapida difesa, assumendo che le pressioni selettive generate dagli erbivori siano ragionevolmente intense

– Se tali variazioni si presentano solo raramente• Allora i tentativi per esaminare la variazione genetica

per la difesa non saranno evidenziati nell’intervallo di tempo compreso tra

– Il periodo di insorgenza dell’ultimo carattere difensivo e il periodo di insorgenza del successivo

– In questo intervallo può esistere solamente una variazione genetica per la resistenza dovuta a effetti pleiotropici (effetti molteplici) di variazioni di caratteri che hanno altre importanti funzioni ecologiche o fisiologiche

– Un quadro distorto delle forze evolutive e costrittive di quella forma Coevolutiva può risultare

• Misurando la selezione su le dette variazioni• Determinando se la resistenza costa • Determinando se la resistenza per differenti erbivori è

correlata

La teoria della evoluzione sequenziale di Jermy 1976

Le piante come fattore più importante nella evoluzione degli insetti costituisce la base

della proposta teoria della Evoluzione sequenziale degli insetti fitofagi

• I cambiamenti nutrizionali nel comportamento alimentare hanno rappresentato un isolamento sufficiente per una speciazione simpatrica

• Le Angiosperme con le loro immense diversità biochimiche servono come base per l’evoluzione di insetti fitofagi senza un meccanismo di feed-back evolutivo – In molti casi senza un apprezzabile effetto

selettivo esercitato dagli insetti sulle piante• Questo significa che l’evoluzione degli insetti

fitofagi segue l’evoluzione delle piante

La teoria della Evoluzione sequenziale–Mostra di essere adatta per interpretare la

evoluzione di tutti i rapporti esistenti tra insetto e pianta ospite eliminando di fatto i fenomeni che caratterizzano la Coevoluzione

Quale è il vantaggio adattativo che porta a limitare le specie ospiti per gli insetti fitofagi ?

– La risposta sta nel fatto che la stretta specificità nel comportamento alimentare molto spesso si conclude in un alta mortalità causata da un esaurimento delle risorse alimentari• Es. La totale defogliazione delle piante ospiti

prima che lo sviluppo larvale sia completato– Così i monofagi e gli oligofagi riducono la

probabilità della loro sopravvivenza – Perciò la selezione di insetti polifagi può essere

forte

• La pianta ospite non è semplicemente qualcosa per nutrirsi – Essa è qual cosa che continua a vivere ed è la più

sensibile bioindicatrice di un intero complesso di fattori ecologici essendo efficace in un dato biotopo

• La scelta di una specie di pianta da parte di erbivori molto spesso significa anche la scelta di una definita combinazione di fattori biotici e abiotici

• I chemiorecettori degli insetti essendo in armonia con i profili biochimici di specie di piante dovuti a sostanze primarie e secondarie rappresentano – Un sicuro indizio non solamente di una adatta sorgente di

cibo, ma anche di una situazione ecologica specifica alla quale l’insetto è adattato per tutte le esigenze necessarie allo sviluppo e alla riproduzione

– Questo può essere un vantaggio della specializzazione del cibo

Gli insetti fitofagi sono realmente importanti fattori di selezione determinanti l’evoluzione della pianta ?

• Il ruolo degli insetti fitofagi come fattore di selezione può essere trascurabile in rapporto – Ai potenti fattori ambientali

• Come l’interazione tra piante entro le comunità • Come le malattie che le affliggono regolarmente in un dato

biotopo • Molte specie di insetti sono rare in comunità

naturali– Questo perché la densità delle popolazioni di insetti

fitofagi sono spesso estremamente basse in confronto con le risorse di cibo disponibili

• Quindi è interessata solamente una parte molto piccola della popolazione della pianta ospite

• La densità delle piante non è in funzione di un controllo operato dagli insetti fitofagi– Gruppi di piante che servono come cibo per molte specie

di insetti sono molto abbondanti in comunità naturali– Gruppi di piante raramente attaccate da insetti fitofagi non

appaiono in grandi biomasse in molte biocenosi• Se un insetto introdotto controlla con successo una

malerba introdotta non significa che è anche un fattore effettivo di controllo della densità di popolazione della specie nel vecchio ambiente– Il successo nel controllo biologico delle malerbe non

prova che gli insetti siano un potente fattore di controllo della densità delle piante

– Non funziona da fattore di selezione

Le interazione trofiche pianta-insetto sono sempre antagoniste per l’aspetto evolutivo?

• Gli insetti fitofagi servono come regolatori specifici dell’abbondanza della pianta ospite– In questo caso gli insetti adattati a una data specie di

pianta servono come naturali sfoltitori promuovendo così il normale sviluppo delle piante rimanenti

• Quindi un mutante resistente della pianta potrebbe essere un handicap in una ulteriore diffusione in confronto alle forme sensibili a fitofagi– In questo caso le relazioni pianta-insetto sono

mutualistiche e non risulta uno sviluppo di resistenza della specie di pianta contro ad un insetto che è uno specifico partner

– Questo si applica solamente a specie di insetti che hanno una alta densità di popolazione in confronto all’abbondanza delle loro piante ospiti

L’ interazione pianta-insetto è la principale o forse la singola ragione per l’esistenza delle sostanze secondarie delle piante ?

– I prodotti secondari delle piante non possono essere unicamente il risultato delle interazioni pianta insetto

– I prodotti secondari delle piante sono tappe del metabolismo delle piante poiché sono in continuazione sintetizzati e decomposti

– I prodotti secondari delle piante sono anche importanti portatori di informazioni nella interazione (Allelopatia) tra pianta e pianta

– I prodotti secondari delle piante sono anche fattori molto importanti della resistenza contro le malattie

– I prodotti secondari delle piante non hanno la ragione di essere solo fattori di resistenza contro l’attacco di insetti

– I prodotti secondari delle piante rappresentano, almeno in parte, solamente differenti possibili vie del metabolismo specifico della specie e perciò riguardo all’evoluzione possono essere neutrali

– Molti caratteri creati per mutazione non sono distrutti per selezione • Anche quando sono neutrali per la sopravvivenza

Le serie evolutive parallele provengono da processi coevolutivi comuni in natura?

– In natura sono rari i casi di specie di piante strettamente correlate attaccate da specie di insetti strettamente correlate

• Es. Laspeyresia spp. mangiano su differenti piante da frutto appartenenti a rosacee

– In natura sono molti i casi in cui specie di insetti correlate che mangiano su specie di piante botanicamente molto distanti e viceversa

Questo tipo di relazione non può essere il risultato della Coevoluzione pianta-insetto come supposto da Ehrlich e Raven (1964)

La competizione interspecifica tra insetti fitofagi è un fatto considerabile?

– Nelle comunità naturali la densità delle popolazioni di molte specie di insetti fitofagi è sempre molto bassa in confronto alla disponibilità di cibo

– La distribuzione disomogenea così come le differenze nella fenologia di specie di insetti riduce la competizione per il cibo

– La competizione interspecifica può essere trascurabile come fattore nella evoluzione di insetti fitofagi

– L’adattamento a nuove piante ospiti non può essere considerato come una evasione evolutiva causata da competizione interspecifica

L’EVOLUZIONE DELLE DIFESE

• La domanda a cui bisogna rispondere è – Come la selezione naturale che fa evolvere

un popolazione di un vegetale determini il livello di resistenza a insetti

–La logica di ciò può essere compresa considerando

–Come la selezione naturale si può applicare alla evoluzione della concentrazione fogliare di alcuni composti difensivi o metabolici secondari

»Come un particolare tipo di alcaloide

La relazione lineare tra concentrazione dell’alcaloide e costo è

–W(R) = W(O) + B(R) - C(R)• W(R) →benessere atteso• W(O) →benessere di base uguale a quello di un

genotipo che non produce alcaloidi• B(R) → beneficio• C(R) → costo• R → concentrazione alcaloide

Il genotipo con più alto benessere (wellness) è quello in cui la differenza tra costo e beneficio è più alta

• Questo genotipo produce una concentrazione intermedia di alcaloide (R) la cui concentrazione è così soggetta a selezione stabilizzante

• La migliore evidenza circa il costo della resistenza – E’ fornito dallo studio che tenta di misurarlo direttamente

valutando se il benessere (W) di genotipi non resistenti eccede quella di genotipi resistenti quando gli erbivori sono assenti

– Infatti dalla equazione della concentrazione e costo • W(R) = W(O) + B(R) - C(R)

Per B(R) = 0• W(R) = W(O) + 0 - C(R)

– La mancanza di erbivori e la mancata riduzione della resistenza utilizzata mette in evidenza il costo

• Infatti il termine costo è il solo rimasto nella equazione che varia con la resistenza

• Due cultivar di orzo isogeniche – Eccetto che per un locus che controlla la tolleranza all’afide

Schizaphis graminum • La cultivar più suscettibile fu più fortemente competitiva di

quella tollerante • Il fatto suggerisce che un costo, evidenziato da una crescita

ridotta in presenza di un competitore, è associato con la tolleranza

• La riduzione della produzione di ombrelle (costo) in genotipi di Pastinaca sativa che produce alti livelli di diversi tipi di furanocumarine conferisce resistenza verso il lepidottero Depressaria pastinacella – La quantità di questi costi è alta

• La loro interpretazione è oscura perchè furono misurati in serra in assenza dell’insetto fitofago

• I costi della resistenza della pianta Ipomoea purpurea relativi a differenti genotipi furono misurati in ambiente naturale con presenza di erbivori

• Il benessere degli stessi genotipi nel medesimo ambiente fu misurata in assenza di erbivori– L’assenza di una correlazione genetica negativa tra livello

di resistenza e benessere per ciascuno degli insetti esaminati suggerisce che la resistenza agli insetti erbivori non è un costo in Ipomola purpurea

– La mancata individuazione del costo, non può scartare che il costo esista e sia molto piccolo per essere misurato

– L’apparente mancanza di costo è applicata solamente alla resistenza associata con l’attuale variazione genetica nelle popolazioni delle piante esaminate

• Il risultato di questi tentativi di individuare e misurare i costi della resistenza indica – Che siamo lontani dal conoscere come comunemente tali

costi impongano pressioni di selezioni significative sui caratteri di resistenza delle piante

• Il costo della resistenza, comunque, può non essere universale

• L’assunzione basilare, migliore, del modello costi-benefici nella evoluzione della resistenza – E’ quella che riducendo il danno dell’erbivoro la pianta ne

beneficia

• La resistenza che beneficia le piante non si esplica sempre riducendo l’erbivoro– Recentemente è stato messo in evidenza il

percorso dell’incremento della benessere della pianta causato da erbivori in ambiente naturale ed è stato constatato che • La brucatura da mammiferi stimola una

cespugliazione che incrementa il numero di branche

–Questo aumento conduce ad un incremento nel numero di semi prodotti per pianta

Per capire l’evoluzione della resistenza è necessario un modello diverso da quello costi-benefici

– Una possibilità è assumere che la resistenza è un costo e che il livello di difesa che evolve è determinato dalla combinazione

• Della selezione genetica • Della deriva genetica

– Così l’intensità di selezione su un carattere di resistenza dipende dal livello medio di quel carattere nella popolazione della pianta

• Quando la resistenza media è bassa – Le popolazioni dell’erbivoro sono elevate e impongono una selezione

che incrementa la resistenza media • Come la resistenza media aumenta le popolazioni dell’erbivoro possono

declinare e perciò– Più debole imposizione, più debole selezione attraverso il tempo

• Quando la resistenza è evoluta a un livello di soglia che protegge le piante quasi completamente e la popolazione dell’erbivoro è stata molto ridotta

– Non ci sarà ulteriore selezione a incrementare la resistenza media • Niente, comunque, costringe la resistenza media a un incremento sopra

questo livello per deriva genetica– Il livello di resistenza può fluttuare nel tempo, ma è sempre ostacolato

attraverso la selezione dal cadere sotto soglia

Ipotesi sulla difesa delle piante

Il dispiegamento delle difese nelle piante è stato spiegato e predetto come una variazione

– genetica – fenotipica – geografica

Per quanto riguarda in modo specifico l’interazione pianta e erbivoro

Ipotesi dei metaboliti secondari

Alla fine degli anni ’50 del novecento Dethier (1959) e Fraenkel (1959) suggerirono che

– I metaboliti secondari delle piante funzionano come difesa contro gli erbivori e i patogeni

– L’ipotesi dei metaboliti secondari è divenuta il paradigma centrale degli studi del rapporto pianta erbivoro

– La funzione difensiva come induzione evolutiva dei metaboliti secondari non è sempre un fatto primario

• Infatti la siccità può essere il fatto induttivo e la difesa un fatto collaterale

– La soluzione al problema si può ottenere analizzando• Come le funzioni difensive contribuiscano alla

evoluzione dei metaboliti secondari• Come altri fattori possono forzare il metabolismo

secondario comprese le risposte difensive– I metaboliti secondari si trovano in tutti gli organismi che

non hanno un sistema immunologico

Ipotesi dell’apparenza delle piante (PAH)

Negli anni ’70 del novecento Rhoades e Cates (1976) e da Feeny (1976) suggerirono che l’apparenza delle piante tenta di spiegare • La distribuzione ecologica delle difese delle

piante • L’ipotesi poggia su due fattori

– La facilità con cui l’erbivoro può trovare la pianta ospite (o la probabilità di una pianta ad essere attaccata)

– Il costo del meccanismo difensivo

La facilità con cui l’erbivoro può trovare la pianta ospite (o la probabilità di una pianta ad essere attaccata)•“Piante o tessuti inapparenti" sono difficili da trovare da parte dell’erbivoro perché

a) Rari nello spazio e nel tempo (rarità spazio-temporale)b) Tendenti ad essere

• Specie erbacee piccole• Specie in successione rapida • Specie molto disperse • Specie colonizzatrici di un effimero habitat ecologico

c) I giovani tessuti disponibili in una limitata finestra stagionale•”Piante o tessuti apparenti” sono facili da trovare da parte dell’erbivoro

perché–Comuni nello spazio e nel tempo (ordinarietà spazio-temporale)–Tendono a essere

• Specie legnose o perenni • Specie dominanti competitivamente nel loro ecosistema o

cresciute in gruppo

La differenziata probabilità con la quale le piante potrebbero essere trovate dagli erbivori

– Determina un modo differente di difendersi • Le differenze nelle difese si basa

– Sui costi presunti– Sulla efficacia delle differenti strategie di difesa

Le “piante non apparenti” potrebbero essere “qualitativamente” difese

• Da tossine (es. glucosinolati, glucosidi cianogenetici e alcuni alcaloidi) con effetti repellenti o nocivi a bassa concentrazioni

– Queste tossine avrebbero distolto poco meno delle specie erbivore “specialiste”

– Queste tossine furono economiche perché non costituiscono una larga frazione del peso secco della pianta

Le “piante apparenti” potrebbero essere “quantitativamente” difese

• Dalla ridotta digeribilità dei prodotti chimici (tannini, lignina, silici, alcuni terpenoidi e resine e oli correlati)

– Questi furono efficaci contro tutti gli erbivori– Questi non furono soggetti al contrattacco chimico da parte di

erbivori, per il fatto che la loro azione si svolge prima della assimilazione

– Questi furono relativamente dispendiosi, perché costituiscono una larga frazione del peso secco della pianta

Ipotesi della resistenza ottimale (OD)

La teoria della resistenza ottimale riepilogata daRhoades (1979)

– Assume• Che c’è una limitata quantità di risorse che la

pianta può dedicare alla difesa • Che ci sono richieste alternative per queste

limitate risorse– Aspetta

• Che la selezione compia un ottima allocazione della difesa che massimizzi il benessere della pianta

Le difese sono costose quindi possono evolvere solamente quando e dove i benefici dei loro effetti protettivi pagano i costi, per cui

– L’impegno difensivo delle piante dovrebbe diminuire in assenza di nemici e crescere quando le piante sono soggette ad un alto rischio di attacco

– Le piante dovrebbero evolvere difese in proporzione inversa al loro costo

– Le parti della pianta di alto valore per il benessere della pianta dovrebbero essere difese molto bene tenendo conto

• Dell’alto rischio • Del costo della difesa del particolare tessuto

I costi della difesa possono essere indicativi delle correlazioni genetiche negative tra difesa e crescita

– Questo anche se la teoria non indica come• Le risorse disponibili possano vincolare quelle per la difesa

della pianta

• L’impegno alla difesa, ogni caso, dovrebbe essere una funzione positiva

– Dell’energia totale – Del budget nutritivo

• Questo se l’allocazione delle relative difese– Sono fissate geneticamente ad un livello

costante• Ne segue che le piante stressate dalle condizioni

ambientali – Dovrebbero essere difese meno bene rispetto

alle piante non stressate

Ipotesi del bilancio carbonio/nutrienti (CNB)

• L’ipotesi del bilancio carbonio/nutrienti è un modello di come– L’approvvigionamento del carbonio e dei

nutrienti influenzi • L’espressione fenotipica della difesa delle

piante• Questa ipotesi suggerisce che le risposte

fenotipiche dei metaboliti secondari sono governate – Dal bilancio carbonio/nutrienti (CNB)

• I metaboliti secondari a base di carbonio (es. i fenoli fogliari) che non contengono nutrienti minerali– Tendono ad accumularsi dove la crescita è limitata dai

nutrienti minerali ma non dal carbonio • Così le difese basate sul carbonio dovrebbero essere aumentate da

un limitato stress nutrizionale• Alcuni test condotti con il modello CNB

– I metaboliti secondari a base di carbonio • Con tassi di tunover bassi tendono a supportare il modello• Con tassi di tunover alti hanno mostrato responsi più variabili a

manipolazioni dello stato nutritivo della pianta• L’accumulazione di prodotti secondari possono essere

interpretati alternativamente come– Una risposta evolutiva agli erbivori (teoria OD)– Una risposta fenotipica alle risorse disponibili (teoria CNB)

• Queste alternative in contesti specifici possono diventare competitive – Questa ipotesi può spiegare alcuni esempi di plasticità fenotipica

nelle difese delle piante

Ipotesi del bilancio differenziazione/crescita (GDB)

L’ipotesi, del bilancio tra differenziazione e crescita (GDB), in una serie di condizioni ambientali (Loomis 1932, 1953)

– Fornisce una struttura per predire, come sarà il bilancio di allocazione delle risorse delle piante tra

• I processi relativi alla differenziazione• I processi relativi alla crescita della pianta

– La crescita e la differenziazione dipendono dalla fotosintesi e sono in genere correlate negativamente

• La crescita è dominante sotto condizioni favorevoli

• La differenziazione è dominante quando le condizioni, oltre agli approvvigionamenti da fotosintesi, sono subottimali per la crescita

Le piante rispondono a fattori esterni ed interni riguardo alla crescita e alla differenziazione

– Dividendo lo loro sviluppo in tre fasi• Divisione cellulare (processo di crescita)• Ingrandimento cellulare (processo di crescita)• Maturazione e differenziazione delle cellule

(processi chimici e fisici relativi a tutto ciò)

L’ipotesi GDB concettualmente connette l’intera fisiologia della pianta con i processi di sviluppo a livello cellulare

– Tre sono le assunzioni che appaiono cruciali per la capacità esplicativa della teoria GDB• La correlazione genetica negative tra difesa e

crescita• La crescita più sensibile della fotosintesi a

specifici stress ambientali (scarsità di azoto, siccità)

• Le difese plastiche maggiori in piante in cui la crescita è dominante rispetto alla differenziazione

Non è ovvio come la plasticità fenologica dovrebbe variare lungo un continuo di crescita e differenziazione

– Risulta evidente che piante a rapida crescita rispetto alle piante a crescita lenta dovrebbero essere caratterizzate

• Da livelli di difesa più bassi e più plastici – Tuttavia non c’è ancora una spiegazione

fisiologica di come e perché alcune piante abbiano più difese plastiche di altre

GDB non è dato come un rapporto finale completo del processo di sviluppo nelle piante

– Ma come un conveniente e semplificato schema per predire e spiegare il comportamento della pianta

Il concetto di crescita e di differenziazione è stato applicato alla resistenza delle piante di Pinus taeda verso Dendroctonus frontalis (coleottero scolitide)

– Un moderato deficit di acqua limita la crescita, ma non la fotosintesi e la traslocazione dei fotosintetizzati

• Favorendo processi di differenziazione come la sintesi di oleoresine

La differenza tra CNB e GDB

La differenza tra le ipotesi CNB e GDB sta nel fatto che

–CNB dà rilievo alle differenti situazioni nella disponibilità delle risorse

–GDB dà rilievo alle variazioni temporali nella disponibili delle risorse

Quando e dove diminuisce la crescita più che la fotosintesi le piante potrebbero deviare la propria attività verso

– La differenziazione (GDB) e l’accumulo di carbonio a sostegno di composti secondari (CNB)

• GDB infatti provvede ad una struttura più estesa perché coinvolge

– Sia tutti i fattori che possono limitare la crescita in favore della differenziazione

– Sia il tasso del rapporto carbonio/azoto (CNB) come un componente specifico di GDB

– Quindi CNB e GDB sono derivazioni indipendenti dello stesso modello causale

• Inoltre è ovvio che le difese chimiche e morfologiche– Forniscono solamente un aspetto dei processi di

differenziazione delle piante

Gli insetti

L’apparato sensoriale dell’insetto

L’insetto quando cerca la sua “casa” – La trova in seguito alla abilità del suo sistema

sensoriale di percepire e integrare stimoli esterni individuati dai recettori • Olfattivi • Gustativi • Visivi • Tattili

L’unità di base del sistema sensoriale è la cellula sensoriale o neurone

– Il potenziale generato dalla stimolazione del neurone è il potenziale di ricezione

L’insetto come avviene anche per gli altri animali deve differenziare fra gli stimoli la quantità e qualità

– Questo è ottenuto da neuroni che sono sensitivi alle differenti modalità in differente maniera all’interno delle modalità stesse

I neuroni sensoriali– Possono rispondere a un largo spettro di stimoli fra le

differenti modalità – Essere rapidamente e puntualmente sintonizzati a

rispondere solamente a specifici stimoli – La quantità di stimoli “lavorati” è correlata con la

grandezza del potenziale di ricezione • Questo varia in relazione all’intensità degli stimoli, e viene

detto graduato

Olfatto

Gli assoni che provengono dai neuroni olfattivi terminano tutti in un’area del cervello chiamata lobo antennale

– Il lobo ha una serie di glomeruli (piccoli gomitoli di fibre nervose), centri primari dove si ha l’integrazione degli imput olfattivi

• In Locusta migratoria più di 50.000 assoni sensoriali convergono in circa 1000 glomeruli e circa 800 assoni fuoriescono dal lobo olfattivo

• In Manduca sexta più di 150.000 assoni di neuroni sensitivi agli odori delle piante convergono in circa 60 glomeruli

– È probabile che differenti glomeruli siano i centri in cui gli imput provenienti dai neuroni sensoriali con simile risposta arrivino insieme

• Un vantaggio di tale estensiva convergenza è che i segnali entranti sono fortemente amplificati e perfezionati

• Il numero dei glomeruli non limita la quantità di odori distinguibili perché è ampliato dalla presenza di un codice combinatoriale – Ogni odore (=informazione), attiva una diversa

combinazione di glomeruli che corrisponde ad una specifica zona del lobo antennale

• Es. nell’ape i lobo antennale ha 160 glomeruli classificati come A, B, C,.…. l’odore della lavanda stimolerà i glomeruli A, B ed E, mentre quello della rosa attiverà i glomeruli A, D e E

– Ogni glomerulo ha proprietà fisiologiche determinate geneticamente

– Ogni glomerulo ha uno specifico campo di azione: reagisce solo a particolari molecole di odori e non ad altre

» Questa organizzazione è conservata all’interna delle specie

L’insetto per la percezione degli odori emessi da una potenziale pianta ospite fa affidamento su un sistema di guida olfattiva

– Il sistema di guida e controllato dal sensillo olfattivo dove la cuticola è perforata da numerosi piccoli fori (multiporo) con diametro che varia dai 10 ai 50 nm in differenti specie di insetti

– Questi organi sono sensilli celoconici, basiconici, peli molto corti e strutture piatte

celoconici

basiconici

La sensitività dei recettori dipende dalla presenza dei siti accettori sulle membrane dei dendriti dei neuroni

– I neuroni rispondono a una serie di composti che presumibilmente hanno un numero di differenti tipi di siti accettori • I neuroni più specifici hanno solamente un

piccolo numero di tipi di siti accettori

• Gli insetti fitofagi possono individuare – Larghi spettri di odori

• I fillofagi individuano gli “odori di erba fresca” come exanolo e exenalo

– Perché mostrato una forte capacità di essere identificati più di altri composti a più alto o più basso numero di atomi di carbonio

– Perchè è la forma precisa della molecola odorosa che determina la sensitività

– Specifici odori delle loro piante ospiti • Delia antiqua esibisce una forte risposta ad alcuni

volatili della cipolla (propildisulfide, dipropildisulfide, dimetildisulfide)

• Psila rosae esibisce una forte risposta ad alcuni volatili della carota (trans asarone, trans metil-iso-eugenolo, eugenolo)

Gli insetti fitofagi non sempre hanno recettori specifici per i loro ospiti

– In adulti di in Leptinotarsa decemlineata e Pieris brassicae

– Non sono stati trovati neuroni che rispondano a specifici odori delle piante ospiti • Tuttavia le due specie individuano i loro

ospiti olfattivamente

I recettori olfattivi sono presenti– Sulle antenne in quasi tutti gli insetti– Sui palpi nelle cavallette in un piccolo numero– Sui palpi labiali di alcuni lepidotteri

• Il numero dei sensilli olfattivi per la ricezione degli odori delle piante può essere molto alto ma non arriva a più di 100.000 recettori di feromoni, perché i composti volatili delle piante sono generalmente presenti in più alta concentrazione rispetto ai feromoni– In Locusta migratoria in ogni antenna ci sono circa 3000

recettori olfattivi tipo peli e 2000 sensilli tipo celoconici– In Acyrthosiphon pisum in ogni antenna ci sono 24 piastre

e 4 sensilli tipo celoconici– In Manduca sexta le larve hanno 3 sensilli olfattivi su ogni

antenna e 5 su ogni palpo mascellare – In Manduca sexta gli adulti hanno centinaia di sensilli

Gusto

•Negli insetti il senso del gusto è una chemioricezione di contatto •Gli insetti possono percepire le sostanze chimiche su superfici secche come quelle fogliari

• Dove si trovano i chemiorecettori di contatto? – Negli ortotteri di solito sono presenti

• nell’apparato boccale • nei tarsi • nelle ali • sull’ovopositore• nelle antenne • in tutte le parti del corpo

– Nelle larve dei lepidotteri ce ne sono comunemente • due sulla parete interna del labbro superiore • due per ogni galea • otto in ogni palpo delle mascelle • tre su ogni antenna

– Negli adulti del lepidottero P. brassicae sono• sull’ovopositore • sui tarsi• sull’apparato boccale dove • i sensilli della proboscide tendono ad essere più sensitivi ai fagostimolanti,

producendo più potenziali d’azione in risposta a daterminati stimoli– Negli insetti con apparato boccale pungente succhiatore i sensilli sono soprattutto

• sulla parte distale del labbro superiore che ricopre i 4 stiletti (mandibole e mascelle)

• Sulle pareti interne della cavità cibariale (faringe).– Negli afidi sono presenti solo nella cavità interna della faringe

• I chemiorecettori di contatto hanno forma di peli o piccoli coni di cuticola con alla estremità un singolo foro – Dal foro un tubo di materiale simile a cuticola si estende

verso l’interno del sensillo dove sono presenti i dendriti del neurone

– Comunemente ci sono 4 o 6 neuroni associati ad un singolo sensillo e i loro dendriti corrono attraverso la guaina dendritica e arrivano al foro

• L’estremità del dendrite è rivestita da una sostanza mucopolisaccaridica attraverso la quale le differenti molecole stimolatrici devono passare per stimolare i dendriti

– Ogni singolo neurone può avere nei sui dendriti più di un tipo di siti di accezione

– Ogni neurone è sensibile a una serie differente di sostanze chimiche come: zuccheri, aminoacidi, sali organici, deterrenti, acqua

• Le proteine recettrici specifiche presenti sulle membrane dei dendriti una volta associate con potenziali molecole stimolanti sono in grado di iniziare un potenziale di ricezione– Nei neuroni delle mosche sensibili agli zuccheri sono

presenti tre differenti tipi di molecole di ricezione proteiche che interagiscono con differenti tipi di molecole di “zucchero”

– Una di queste è chiamata sito del piranosio perché reagisce con

» Glucosio e arabinosio e altri zuccheri piranosi con 6 atomi di carbonio

» Saccarosio che è il maggior fagostimolante per gli insetti fitofagi

Schizaphis graminum Dendroctonus frontalis

Manduca sexta

Locusta migratoria

Delia antiqua Psila rosae

Leptinotarsa decemlineata Pieris brassicae Acyrthosiphon pisum

• Il modo in cui le sostanze deterrenti vengono identificate sui dendriti dei neuroni sensibili a tali sostanze non è ancora conosciuto – Cellule deterrenti che rispondono a composti specifici

dell’ospite sono stati identificati in poche specie • Pieris brassicae (lepidottero)

– Le larve nel sensillo della galea hanno neuroni che rispondono ai glucosinolati

– Gli adulti nei sensilli dei tarsi hanno neuroni con sensibilità simile a quelle delle galee larvali

– I glucosinolati sono composti caratteristici della famiglia delle Brassicaceae su le quali le larve si alimentano e gli adulti depongono le uova

• Chrysolina brunsvicensis (coleottero)– Nei tarsi differenzia sensilli con neuroni che rispondono

all’ipericina un composto caratteristico della famiglia Hyperaceae

Sensillo Neurone 1 Neurone 2 Neurone 3 Neurone 4 Neurone 5

Stiloconico laterale della galea

aminoacidi glucosio, saccarosio

glucosidi deterrenti stimoli meccanici

Stiloconico mediale della galea

sali inorganici

alcuni zuccheri

glucosidi alcuni deterrenti

stimoli meccanici

Epifarigeale sali inorganici

saccarosio - deterrenti

Canali mandibolari - - - - stimoli meccanici

Nel sistema nervoso centrale degli insetti – Non esistono centri che servano come focus per tutti gli

imput che arrivano dai chemiorecettori di contatto • Sull’apparato boccale

– Gli assoni da più di un sensillo si estendono al ganglio subesofageo

» Le arborizzazioni degli assoni dei sensilli sulle mascelle e sul labbro inferiore rimangono separate in parti distinte del ganglio (neuromeri)

• Sulle zampe– I chemiorecettori hanno assoni che terminano nei

corrispondenti gangli segmentali

Nel sistema nervoso periferico degli insetti • Il numero di sensilli aumenta con le

dimensioni dell’insetto– Nel primo stadio ninfale di Locusta

migratoria ci sono solamente circa 3000 neuroni

• La specificità dei neuroni nei chemiorecettori di contatto può essere limitata – Nelle cavallette i neuroni che rispondono

al saccarosio rispondono anche al NaCl

L’evoluzione della risposta ai deterrenti – Rappresenta il punto centrale nell’evoluzione

dell’interazione dell’insetto con la pianta ospite – La tesi che il cambio dalla polifagia alla oligofagia (o il

contrario) coinvolga• Un incremento generale o una riduzione di sensibilità

ai composti deterrenti è supportata essere a livello comportamentale

• Il primo scalino, di questa manifestazione avviene all’interno del sistema nervoso centrale piuttosto che a livello dei recettori periferici

– Tale evidenza suggerisce che cambi periferici seguono il cambio dell’ospite, piuttosto che esserne la causa

» Gli insetti che sono arrivati ad alimentarsi su particolari piante tendono a perdere le risposte ai deterrenti chiave di quella pianta

Vista

La visione negli insetti erbivori funziona in due vie–La prima coinvolge l’abilità dell’insetto a

percepire i modelli spaziali • Usando stimoli istintivi “sagome”

–La seconda coinvolge l’abilità dell’insetto a rilevare differenze nella

• Luminosità • Colore • Saturazione di varie lunghezze d’onda della luce

• La localizzazione della pianta ospite in seguito a sollecitazione visuale è la conseguenza– Della percezione della qualità spettrale dello stimolo

luminoso – Della dimensione dell’oggetto– Del modello o forma dell’oggetto

• Il movimento finale dell’insetto verso la superficie della pianta – E’ probabilmente guidata dalla percezione del profilo

della pianta• Il contatto finale dell’insetto con la superficie della

pianta – E’ dovuta ad una risposta positiva ai pigmenti gialli o

giallo-verdi delle foglie• Che si trovano nello spettro di ampiezza di 500-580 nm

Tatto

Dopo che l’insetto a preso contatto con la superficie della pianta

– I sensilli tricoidei nelle diverse parti del corpo avvertono

• Gli stimoli tattili – Forniscono al sistema nervoso dell’insetto

informazioni circa la morfologia della pianta• Gli stimoli tattili ricevuti

» Dai tricomi del fusto » Dalle creste epidermiche » Dai margini dentati della foglia

– Innescano in modo geneticamente controllato » Sequenze di comportamenti alimentari o di

ovideposizione

Le limitazioni neurali degli insetti fitofagi

• La limitazione del sistema nervoso– Determina quante informazioni possono

essere processate in un dato tempo• La limitazione del sistema neurale

– E’ un fattore primario nella interazione tra insetti e piante

• Il comportamento – E’ il legame

• Tra fisiologia ed ecologia degli animali– E’ una espressione

• Del processo neurale modificato dai fattori fisiologici ed ambientali

– È l’elemento centrale • Per capire l’interazione tra gli organismi

Gli erbivori Generalisti devono fare delle scelte tra un ampio numero di opzioni

– I soggetti con un sistema nervoso limitato nella capacità di trattare con molteplici segnali possono

• Sequenzialmente porre attenzione a differenti stimoli per comprendere un ampio campo

• Essere impegnati in modo prolungato con alcuni stimoli per valutarli completamente

• Rilevare più prontamente e in modo tipico certi elementi cospicui del campo visivo rispetto ad elementi a cui sono mescolati nell’ambiente

– Questo fatto è la base, che si presume valida, per la valutazione degli “stimoli segnale” della visione utilizzata dagli animali

»Specialmente nelle comunicazioni intra- e inter-specifiche in molti differenti contesti

•Un erbivoro Generalista può computare – Una larga quantità di informazioni

• Cambiando attenzione verso stimoli differenti• Ritenendo altri imputs nella memoria

– E attraverso il confronto raggiungere una valutazione

•Un erbivoro Generalista nelle decisioni – Manifesta la flessibilità di un insieme di capacità

sensorie combinate con • Una abilità a spostare l’attenzione• Una abilità all’estensivo uso dell’apprendimento

• Un erbivoro Specialista è un animale che si è adattato ad un ambiente prevedibile

• Sviluppando la sensibilità ad alcuni rilevanti e importanti stimoli

• Semplificando il problema dell’attenzione selettiva• Un erbivoro Specialista è un animale che ha una strategia

che richiede– Pochi recettori – Una più piccola capacità di memoria rispetto a un

Generalista• Un erbivoro Specialista è un animale con risposte prefissate

• Meno decisività• Più rapida risposta

• Un erbivoro Specialista è un animale che ha – Risparmiato nella macchina neurale– Una efficiente capacità decisionale

Le decisioni cognitive degli animali Generalisti e Specialisti

– Sono complicate, anche dal fatto che il comando finale che esce dal cervello per un determinato comportamento è il risultato della interazione tra

– Gli impulsi sensori provenienti dall’ambiente– L’ambiente interno dell’animale in costante

cambiamento– I nutrienti– Le tossine– Gli ormoni– Neuromodulatori– I differenti processi oscillatori e complessi del sistema

nervoso– Le interazioni neurali caotiche prive di punti di

equilibrio

• Le limitazioni neurali, tra gli insetti erbivori hanno un significato più grande – Tra i Generalisti che tra gli Specialisti

• Le possibilità delle costruzioni neurali negli insetti erbivori– Da ragione ai vari limiti osservati nei repertori

del comportamento degli insetti

Per gli insetti erbivori è importante conoscere – I segnali visivi

• La forma o il modello riflesso ha importanza per alcune specie di erbivori

– I segnali chimici• Possono avere una particolare attrattività

– Le misture di prodotti chimici comuni nelle piante verdi

– I prodotti chimici che sono presenti in particolari piante ospiti

• Un erbivoro Specialista può trarre vantaggio– Dai caratteri specifici della pianta ospite

Gli insetti per localizzare il cibo e costruire la decisione

– Spesso usano l’odore del cibo che ne condiziona i movimenti contro vento

• A distanza dalla pianta• In prossimità della pianta • A contatto con la pianta

– Gli insetti arrivati sulla pianta prendono una delle decisione possibili relativamente

• Alla parte di pianta da utilizzare• Allo stop dell’alimentazione su cibo non ideale

• All’abbandono dell’ospite senza ovideporre

L’efficienza nella scelta di fronte a differenti diete può essere misurata• Dalla qualità dell’ospite selezionato • Dalla proporzione degli errori fatti nella scelta• Dal tempo necessario alla scelta

Quando la scelta dell’ospite è stata fatta • Può seguire rapidamente

– Il compito di attenzione verso »L’ovideposizione »L’alimentazione

Il compito di attenzione e di vigilanza contro i rischi è mantenuto quel tanto che necessita al completamento del comportamento intrapreso senza rinvii

– Un erbivoro Generalista•Può essere distratto nella scelta dell’ospite

– Dalle informazioni sensorie competitive che arrivano da ospiti alternativi similmente attrattivi

– Un erbivoro Specialista •Non può essere distratto nella scelta dell’ospite

– Dall’attenzione dominante per la scelta di un ospite specifico

»Perché ha meno informazioni sensoriali provenienti dall’ospite da processare per identificarlo

La limitata efficienza nel processo di decisione tra i Generalisti

– Nelle differenti specie di insetti erbivori ci sono limitazioni sulla efficienza nella formazione del processo di decisione nella scelta del cibo dovuto• Al tempo necessario alla formazione della

decisione• All’abilità a fare la scelta migliore tra gli

ospiti di qualità superiore• Ai livelli di distrazione durante l’attività

correlata all’ospite

E’ difficile stabilire la relativa abilità degli erbivori, con un’ampia dieta, a scoprire le piante ospiti perché è difficile determinare quale fatto è stato rilevato primariamente tra

• L’avvicinamento alla pianta • La ricerca della pianta

– Un caso in cui il fatto è stato distinto riguarda Battus philenor, un lepidottero Generalista

• L’insetto per l’ovideposizione sceglie in modo specialistico sempre su una specie di pianta in mancanza di queste gli ospiti alternativi sono trovati a tasso più basso

– Il lepidottero in momenti diversi può focalizzare l’attenzione su ospiti alternativi operando uno spostamento di attenzione su due alternative

» Focalizzando l’attenzione sulla forma di una foglia

» Sviluppando “una ricerca di immagine” per una specifica forma di foglia

• Gli insetti Generalisti hanno delle limitazioni neurali che li rendono meno efficienti nell’accuratezza con cui scegliere le piante ospiti

– La costruzione della scelta più appropriata incorre in alcune difficoltà

– Quando è possibile non scelgono gli ospiti molto favorevoli o la migliore mistura di ospiti

• Il lepidottero Grammia geneura– Prende una rapida decisione– La decisione presa tende ad essere cattiva rispetto a quella

migliore per la sua crescita • Gli insetti Specialisti hanno un vantaggio in confronto agli insetti

Generalisti rispetto alla precisione della scelta– In una popolazione dell’afide Uroleucon ambrosie

• Le forme Generaliste rimangono più a lungo su un ospite non suscettibile rispetto alla forma Specialista

• Le forme Specialiste che si muovono rapidamente verso l’ospite Ambrosia trifida

Gli imputs sensori non legati al cibo possono interferire con il comportamento di scelta dell’alimento

– Gli individui di Schistocerca americana che devono scegliere tra due piante

• Richiedono più tempo per la decisione • Spendono più tempo per alimentarsi

– Gli adulti di Bemisia tabaci che possono scegliere tra potenziali piante-cibo

• Spendono meno tempo su ogni singolo alimento – Rispetto a quando si trovano in presenza di una singola

pianta-cibo• Gli individui adulti lasciano la migliore pianta-cibo

– Se altre specie di piante sono presenti• Gli individui adulti non lasciano la migliore pianta-cibo

– Solamente se piante conspecifiche sono presenti nelle vicinanze

Gli insetti erbivori sono per la maggior parte Specialisti

– Usano un numero molto ristretto di piante ospiti caratterizzate da composti fitochimici di grande importanza per la identificazione dell’ospite e tra questi

• Alcuni sono volatili• Alcuni sono non volatili

– Sono in genere specificatamente e altamente sensibili

• A particolari componenti odorosi della pianta ospite • A caratteristiche misture di composti volatili

Gli odori specifici della pianta ospite hanno un ruolo importante nella efficienza (rapida e accurata)

• Nello scoprire • Nel costruire una decisione

– L’odore specifico forma un segnale di contrasto • Che rapidamente rilascia il comportamento

appropriato– La sensibilità verso particolari odori è data da una più

alta proporzione di recettori olfattivi specifici verso queste manifestazioni odorose

– Il coleottero Ceutorhynchus assimilis è attratto da più di 20 m dagli isocianati dell’ospite

• L’odore condiziona il comportamento dell’insetto dopo il contatto con l’ospite

– Incrementando l’eccitazione l’attività e le decisioni• I segnali gustativi sono importanti quanto gli odori nel

indicare la specificità dell’ospite • Uno o alcuni composti chimici specifici dell’ospite sono

i fattori dominanti nella scelta da parte di Specialisti estremi

– I lepidotteri del genere Euphydryas utilizzano piante di diverse famigliecon fisiologia e biochimismo molto semplice per la presenza dei glicosidi iridoidi

– La sensibilità di Delia radicum (Diptera Anthomyiidae) a nuovi prodotti chimici nei cavoli è così specifico che la sensibilità dei chemiorecettori è nello stretto limite di quelli associati al rilievo del feromoni

• La diversità dei composti chimici trovati • Tra differenti specie di piante • Entro singole piante

– Determina, potenzialmente, chiari segnali per ogni erbivoro

• L’evoluzione convergente di certi prodotti chimici in differenti gruppi di piante ha permesso – A certe specie di insetti di usare ospiti

differenti per la identificazione dei quali possono usarsi

– Glicosidi iridoidi ► Euphydryas spp– Glicosinolati ►Delia radicum

I segnali chimici inusuali delle piante sono un segnale forte

• Utilizzato dagli insetti per fare una scelta positiva– Gli insetti Specialisti sono dissuasi più dei

Generalisti • Dai metaboliti secondari dei vegetali non ospiti

– Gli insetti Specialisti sono beneficiati nella scelta dell’ospite• Dal forte contrasto tra

– I segnali positivi degli ospiti – I segnali negativi dei non ospiti

Il dilemma dei non specialisti e alcune soluzioni• Gli insetti polifagi

– Ottengono più vantaggi che svantaggi da questo comportamento perché

• L’efficienza di prendere una decisione – E’ probabilmente di grande significato in una data situazione

ecologica• La soluzione del problema di una ridotta efficienza

– Può essere quella del mantenimento di un sistema nervoso più sofisticato

• Gli insetti oligofagi – Guadagnano forse alcuni dei vantaggi della specificità – Mentre mantengono alcune flessibilità

Nella interazione tra stimoli chimici a livello dei chemiorecettori di insetti fitofagi avviene comunemente

– I deterrenti riducono l’imput dai neuroni positivi e viceversa• L’interazione nei sensilli può alterare la condizione delle funzioni dose-

risposta – Quindi un graduale cambiamento senza interazioni diventa un passo funzionale

come succede comunemente in insetti con un ampia interazione• L’interazione può essere una delle vie nella quale un insetto con segnali

meno definitivi di rilevazione di ospiti di alta qualità può migliorare la propria abilità a prendere rapidamente una decisione positiva o negativa

– In locuste Generaliste è stato visto che la scarica di una cellula nervosa di un chemiorecettore di contatto può inibire la scarica di un altro chemiorecettore del medesimo sensillo con differenti capacità quindi avviene un effetto interativo dopo la produzione del generatore potenziale

• Tale effetto interativo può allora essere importante nel produrre la particolare e sincrona scarica di un corteo di cellule del gusto

– Questo appare succedere in alcuni coleotteri solamente quando la richiesta mistura di composti chimici della pianta sono presenti

Gli insetti rispondono in modo differente agli stessi livelli di imputs in relazione al comportamento corrente

• Gli individui durante lo svolgimento di molteplici attività sono meno realmente disturbati rispetto a quando sono apparentemente in quiete – La femmina di un lepidottero ropalocero che

sta ovideponendo è relativamente insensibile a disturbi

• Il filtraggio centrale o i circuiti di modulazione assicurano in ogni momento un comportamento

• La plasticità del comportamento è critica tra le specie

•La scelta dell’ospite quando varia in modo imprevedibile– L’ eccellente accordo nel sistema nervoso attraverso l’esperienza può

provvedere a molti dei benefici posseduti dagli Specialisti •Molte specie limitano le loro preferenze come risultato di esperienze attraverso meccanismi non sempre conosciuti

– In alcuni casi il cambiamento è dovuto ad un aumento o a diminuzione di sensibilità dei chemiorecettori a certi metaboliti

– L’ accordo eccellente può avvenire centralmente limitando l’ampiezza delle scelte positive e negative attese quindi non c’è ragione di assumere che c’è un cambiamento correlato nelle normali misurate caratteristiche di esecuzione

» I maschi dei ditteri Tefrididi non mangiano separati dalle femmine e esperienze con frutti di un tipo predispone le mosche a non cambiare frutti

L’apprendimento associativo– Incrementa e costruisce la decisione– Determina benefici nell’attitudine

• Per i Generalisti – L’apprendimento è importante perché è correlato

• Alla scelta di ospiti di alta qualità• Alla scelta di ospiti molto abbondanti • Migliora la rapidità di costruzione della decisione

– Le api possono selettivamente prestare meno attenzione a minori suggerimenti dell’ambiente

» Individui addestrati possono prestare attenzione al cibo ricompensa camuffato

– All’aspetto adattativo per l’apprendimento delle api e la costruzione della memoria è posto come meccanismo sottostante la costanza floreale perché è difficile apprendere e tenere in memoria vari tipi di flora richiedenti diversi tipi di manipolazioni

» Questo perché devono mantenere fedeltà a un tipo di flora per un lungo periodo

– Quindi quando ci sono alcune opzioni di comportamento a ciascun momento è difficile pensare a delle limitazioni sulla memoria sulla informazione e sul modo di impiego della memoria

– Una singola inclinazione ad alcuni suggerimenti ha un ruolo come limitazione del corto e del lungo termine della memoria

– Api che vanno verso fiori artificiali di diverso colore senza ricompensa e li comunicano alle consorelle

» Suggerisce che c’è un modello innato che rimane costante a un suggerimento per un periodo senza riguardo verso fattori di memoria o ricompensa

• I Generalisti estremi – Apparentemente adattati a situazioni nelle quali può

esserci in alternativa• Piante-cibo presenti in modo variabile e

imprevedibile per qualità e quantità• Piante-cibo tutte molto ricche di metaboliti

secondari potenzialmente nocivi– Sono attirati in mescolanze di cibo mangiano una

varietà di piante • Frequentemente costruiscono la scelta su quello

che mangiano rispetto a quello che ignorano

Per gli erbivori l’ampiezza delle specie di piante alimentari è spesso determinata

• Da nuovi composti chimici che riducono l’inefficienza e la complessità di costruzione della decisione

• Nella cavalletta Taemiapoda eques la gestione della fedeltà ad una specie di pianta avviene durante una serie di incontri con diverse specie di piante

– Questo suggerisce che la cavalletta si focalizza sequenzialmente su un particolare cibo

• Dalla qualità della dieta modificata – L’accettabilità di alternative che dipendono dalle necessità nutrizionali

• E’ una flessibilità determinante nel consolidamento degli imputs sui differenti chemiorecettori dei nutrienti

– Tale fisiologico feedback può migliorare la velocità e l’accuratezza nella costruzione della decisione

• Negli insetti erbivori ciò è stato dimostrato, fino ad ora, solamente – Nelle cavallette – Nelle larve Generaliste di lepidotteri

Per gli insetti i rischi ambientali sono sufficientemente severi quindi l’attenzione ad essi è sempre importante

– Il tempo supplementare occorrente per la costruzione di una decisione è importante di per se

• Il tempo perso in questa rapida decisione riduce l’opportunità di predazione durante il foraggiamento

– I limiti sul processamento simultaneo di diversi imputs sensori • Può imporre la necessità di attenzioni selettive a differenti compiti in

successioni– Focalizzando l’attenzione su la ricerca e la scelta delle piante ospiti

• Viene ridotta l’attenzione ad altri rischi• Viene richiesta fretta nella scelta dell’ospite per la manifestazione del

comportamento legato alla attenzione– Dividendo alternativamente l’attenzione tra foraggiamento e fuga il segnale

più semplice sarebbe vantaggioso• Questo usualmente comporta una ridotta abilità ad ottenere cibo appropriato

– Le limitazioni neurali che richiedono attenzioni selettive conducono a dividere l’attenzione sotto il rischio della predazione a costi misurabili

• Rischio di predazione è difficile da quantificare – Così è valutato come un fattore selettivo nella interazione pianta-

insetto• Il problema è ulteriormente complicato dal fatto che la vigilanza non può

essere mantenuta per un lungo periodo di tempo

Il comportamento dell’erbivoro• Intermittente, indeciso, per la scelta alimentare, e ogni altra esitazione

sono dannosi – Perché un insetto è evidente – Perché un insetto attento alle attività relative al cibo non è attento

a simultanei rischi ambientali• La qualità dei nutrienti

– Interagisce con i problemi del rischio e dell’attenzione• La bassa concentrazione di proteine nelle foglie e l’alta

richiesta di queste sostanze da parte degli insetti– Porta questi a mangiarne grandi quantità con un più lungo

periodo di permanenza sull’ospite alimentare – Con un più alto rischio di predazione

• L’alta qualità del cibo riduce il rischio di predazione– Perché può essere speso meno tempo su gli ospiti per

mangiare • Forse la fitness vantaggiosa per l’erbivoro è associata

– Al fatto che l’evitare il predatore supera l’incremento del tasso di sviluppo

La sicurezza e la crescita sono importanti assieme– L’alta qualità del fogliame

• Riduce il tempo di sviluppo riducendo il rischio di perdere la vita

– Le foglie pongono sfide fisiche agli insetti che attraverso adattamenti morfologici trovano il modo di cibarsene

• Certi tipi di mandibole in differenti linee di insetti indica il valore di tale struttura

•La fitness vantaggiosa dell’efficienza di comportamento come– La velocità di ritrovamento e di decisione sull’ ospite e il

comportamento esecutivo è una funzione della fuga dai nemici

– Negli insetti specialisti la fitness di vantaggio è la semplificazione del sistema nervoso

• Le cavallette Specialiste hanno un numero più piccolo di sensilli rispetto alle Generaliste

Quando l’ampiezza delle diete diminuisce • Nelle varie specie di erbivori diminuisce il numero di

recettori– Alcuni Specialisti estremi hanno pochissimi

chemiorecettori di contatto• Non c’è indicazione circa gli investimenti in altre parti

della struttura naturale– Comunque la grandezza delle varie parti del centro

integrativo del cervello degli insetti sono correlate con la complessità del comportamento

» Negli ortotteri dove predominano i Generalisti il cervello è più grande di quello degli emitteri, della stessa grandezza, dove predominano gli Specialisti

La grande diversificazione degli insetti erbivori è associata con l’espansione e l’incremento di diversità delle Angiosperme

– La straordinaria diversità dei metaboliti secondari della pianta, crea un legame tra insetti e angiosperme, che comporta una corsa agli armamenti indicata

• Dalle centinaia di composti fenolici, alcaloidi, terpenoidi, iridoidi, flovonoidi, steroli e altri composti chimici secondari che si trovano nelle piante

– Molti non hanno alcun effetto sugli erbivori– Altri stimolano l’alimentazione e/o la crescita– Altri sono sequestrati per la protezione dai predatori – Molti sono chiaramente tossici e servono come difesa da

parte delle piante contro molti erbivori» Quando le piante sono inabilitate ad usare tossici per

difendersi non è chiaro se perdono le difese o se ne hanno evolute di specifiche contro particolari erbivori

Studi filogenetici mostrano una scarsa correlazione tra insetto e cladi di piante ospiti per ripetuti spostamenti tra differenti linee di piante•Gli insetti spesso si sono spostati su piante con simili profili chimici incuranti del fatto che le piante siano connesse

– Quando un segnale è forte e chiaro assiste gli insetti erbivori

• Nella costruzione di una rapida formazione di una decisione • Nel rimanere attenti a un particolare ospite durante

l’alimentazione o l’ovideposizione– Quando l’attività di selezione sul sistema sensorio e la

sua proiezione sul sistema nervoso centrale potrebbe favorire

• Quegli insetti che combinano il fine adattamento di rilevazione di segnali distintivi con particolari chemiotipi di piante

– La primaria valutazione di tale abilità è collegata alla sopravvivenza in presenza di predatori

Allora la selezione sul sistema nervoso – Potrebbe agire attraverso meccanismi che aumentano la

vigilanza– In ogni caso quando le piante cambiano e si diversificano

chimicamente • Gli insetti erbivori essendo dipendenti da specifici

segnali possono anche cambiare e diversificare la discriminazione dei segnali degli ospiti

– Questa capacità discriminatoria potrebbe essere mantenuta ai massimi livelli di rilevazione e contrasto in ogni particolare popolazione

• Molti dei composti chimici secondari non sono tossi ma deterrenti

– Tutto ciò mette in evidenza le limitazioni incombenti sugli Specialisti che si sono ottimizzati su un chemiotipo di pianta

La valutazione dell’efficacia del comportamento è fatta in termini di segnale informativo

– Un erbivoro per trovare il proprio ospite usa un composto chimico come segnale stimolo

• La popolazione della pianta ospite può produrre un enzima che altera il composto A in B

– Questa può sfuggire all’erbivoro fino quando la variazione dell’erbivoro consente il suo passaggio sulla pianta B seguendo il segnale appropriato

»Questa dilazione nell’aggressione può verificarsi solo se c’è rigidità nel sistema sensorio dell’erbivoro che lo connette allo stimolo segnale B della pianta

Un insetto erbivoro geneticamente può mostrare due alternative o entrambe le alternative allo stesso tempo

– Nella propria specificità • Come l’uso di molte specie di piante

– Nel cambiamento • Dell’ordine di preferenza delle specie di piante • Dell’ordine di quale specie di pianta è preferita

– Il cambiamento nell’ordine delle preferenze sono • La base del cambiamento dell’ospite visto in

cladi di insetti altamente specializzati

La capacità dell’insetto di usare alcune o solo una specie di pianta può migliorare il suo benessere

– Quando ci sono acquisizioni ottenute su piante differenti per ragioni fisiologiche o ecologiche

• I fattori fisiologici coinvolgono– Crescita e sviluppo o fatti correlati come la digestione e

l’abilità di digestione• I fattori ecologici coinvolgono

– Tratti morfologici che influenzano la fuga dai nemici naturali – Abilità a trovare, selezionare e frequentare specifiche piante

ospiti è tale che la vigilanza verso nemici naturali può essere mantenuta o aumentata

– Le variazioni nell’ordine di preferenza verso le piante ospiti entro e tra popolazioni di una specie di insetto può essere la norma dando la possibilità alla specie di divergere in specie separate con differenti ospiti

– Per queste variazioni si può guardare al sistema nervoso invece ce alle costrizioni postingestiva

» Alcune sono simili a cambiamenti di specificità altre cambiamenti di preferenze

I cambiamenti evolutivi nei processi sensoriali •I modelli di affiliazione all’ospite

– Sono probabilmente molto influenzati dal gruppo di insetti considerato a livello di ordine

• Negli Ortotteri che hanno un grande cervello e un grande numero di sensilli

– I processi sensori dipendono da processi integrativi più che da linee assegnate direttamente dai chemiorecettori che definiscono gli stimoli segnale

–Piccoli cambiamenti in un recettore o in una sinapsi ha un limitato effetto sul comportamento

• Nelle larve dei lepidotteri che hanno cervelli semplici e un numero molto piccolo di chemiorecettori

– I piccoli cambiamenti in un recettore o in una sinapsi possono avere un grosso impatto sul comportamento

– Questo mette in evidenza che gli insetti diversi dagli ortotteri • Possono evolvere in modo relativamente rapido i sistemi di rilevamento e

discriminazione così che sono– Abili a seguire l’evoluzione chimica della pianta in una via che è meno

probabile per le cavallette

Tutto questo porta un contributo alla importanza della coevoluzione delle piante e del sistema recettore dell’insetto

I dettagli sull’insetto relativi• Al comportamento• Alla fisiologia specialmente sulla neurofisiologia

– Hanno suggerito un approccio teorico tecnico dell’interazione pianta insetto verso le limitazioni del sistema nervoso

– La combinazione delle limitazioni neurali sui processi favorevoli

• Riduce l’ampiezza della dieta– L’effetto delle limitazioni del sistema nervoso nella

ecologia e evoluzione• Agisce attraverso l’effetto della vigilanza quindi attraverso i

nemici naturali

Possibili cambiamenti che possono avvenire neuralmente e gli effetti sui cambiamenti di comportamento in relazione alle piante

Cambiamenti genetici EffettiConformazione del legame proteico Determinazione di composti non polari

portati dai dentriti dei chemiorecettori

Cambiamento in conformazione di proteine ai luoghi di ricezione sui chemiorecettori

Influenza sulla sensibilità della cellula a particolari composti

Alterazione dei siti di ricezione per particolari composti chimici

Alterazione della sensitività della cellula a particolari composti

Alterazione del secondo messaggero di membrana di +o- chemiorecettore

Alterazione della sensibilità +o- della cellula nell’insieme

Modello di alterazione della espressione del gene delle proteine del recettore su +o- cellule

Effetto interruttore di stimolo da + a – o viceversa

Alterazione del collegamento dei neuroni sensoriali agli interneuroni

Effetto interruttore di stimolo da + a – o viceversa

Alterazione dei livelli di uno o più neuromodulatori a una o più sinapsi

Alterazione del peso di differenti + e - imputs

Alterazioni degli imputs sinaptici in qualche parte nella via al centro di controllo

Alterazione del peso di differenti + e - imputs

Strategie di aggressione dell’erbivoro e loro conseguenze

• Le caratteristiche aggressive sono quelle che – Permettono agli erbivori di incrementare

• La loro alimentazione • L’utilizzo di un ospite quando questo uso li beneficia

– Aumentano le prestazioni o il benessere dell’erbivoro– Sono determinanti dal punto di vista dell’erbivoro

• Le caratteristiche aggressive non necessariamente causano più danni alle piante o ne riducono il benessere

• La chiave dicotomica che segue aiuta a definire e organizzare le ricerche circa le caratteristiche aggressive

Tavola dicotomica per i caratteri aggressivi degli erbivori (Karban e Agrawal 2002)

No Si

1Gli erbivori hanno caratteri che corrispondono a quelli dell’ospite?

Il carattere è improbabile che sia coinvolto nella aggressività dell’erbivoro

Possibile carattere aggressivo (procedere a 2)

2 Il carattere produce un incremento misurabile nel tasso o efficacia dell’alimentazione dell’erbivoro o di altri usi (come l’ovideposizione)dell’ospite?

Il carattere non è coinvolto nella aggressività dell’erbivoro

Possibile carattere aggressivo (procedere a 3)

3 Il carattere aumenta l’azione e il benessere dell’erbivoro?

Il carattere non è benefico Il carattere è correntemente aggressivo (procedere a 4)

4 Il carattere evolve come adattamento verso l’erbivoro?

Il carattere è correntemente benefico, ma fu formato e mantenuto da altre pressioni selettive

Il carattere è correntemente benefico ed è stato formato o mantenuto per l’erbivoro(caratteri adatti all’aggressione)

• Iniziamo chiedendoci se le caratteristiche dell’erbivoro appaiono tener testa alla sfida che le loro piante ospiti presentano– Ad esempio ci si chiede se le appendici boccali o l’ovopositore

corrispondono alle caratteristiche dell’ospite• Primo passo

– Esame delle variazioni nelle caratteristiche dell’erbivoro quando si nutre su differenti ospiti

– Comparazione delle caratteristiche osservate con quelle alternative viste in altri erbivori

• Secondo passo– Se le caratteristiche dell’erbivoro aumentano il tasso o l’efficienza

dell’alimentazione o altro uso dell’ospite– Il confronto è con erbivori che esibiscono caratteristiche alternative

• Il benessere conseguente alle possibilità aggressive delle caratteristiche dell’erbivoro sono state raramente quantificate sebbene una connessione tra l’efficienza dell’erbivoro e benessere è stata spesso assunta – Idealmente il benessere dell’erbivoro andrebbe rilevato durante tutta

la sua vita perché le prestazioni possono aumentare in uno stadio e diminuire in un altro

Le caratteristiche aggressive degli erbivori– Caratteristiche plastiche

• Che cambiano attraverso un tempo ecologico – Un periodo di 10 anni di generazioni o giù di lì

durante il quale una popolazione può, in media, mantenersi in uno stato stabile

– Caratteristiche fissate• Che cambiano attraverso un tempo evolutivo

– Un periodo di circa 500.000 anni sufficiente a un cambiamento evolutivo per rompere lo stato ecologico stabile

• Le strategie impiegate dagli erbivori per sfruttare i loro ospiti– 1° strategia: i meccanismi comportamentali: la meno aggressiva

Gli erbivori non si nutrono o ovidepongono scegliendo a caso il mondo verde, ma possono fare scelte sofisticate

La scelta è considerata aggressiva quando aumenta l’efficienza e il benessere dell’erbivoro

– 2° strategia: le caratteristiche morfologiche e fisiologiche: talvolta aggressivaL’alterazione della morfologia e fisiologia attraverso un tempo

ecologico ed evolutivo per meglio sfruttare gli ospiti esistenti e per cominciare a sfruttarne dei nuovi

– 3° Strategia: la manipolazione dell’ospite: molto attiva L’aggressione dell’erbivoro può succedere in pre-ingestione

– Per sopprimere l’abilità dell’ospite a rispondere difensivamente

– Per indurre l’ospite a creare una galla altamente nutritivaL’aggressione dell’erbivoro può succedere in post-ingestione

– Per la metabolizzazione dei prodotti secondari della pianta– Per la sequestrazione dei prodotti secondari necessari alla

protezione dell’erbivoro contro i propri predatori

Modelli di aggressività degli erbivori

Rhodes (1985) descrive una dicotomia tra erbivori furtivi e opportunisti

Erbivori furtiviMetabolizzano o detossificano le difese delle piante

Costituite dai composti chimici secondari Manipolano i loro ospiti

Inducendoli a provvedere loro più tessuti nutritivi Cooptano le loro difese che usano a proprio beneficio come

Stimolanti alimentari Opportunità per l’accoppiamento Difesa contro i propri nemici

Inibizione delle risposte indotte della pianta sopprimendo il riconoscimento, lo spiegamento o l’effetto della resistenza indotta

Sono solitari, territorialiCausano danno superdiffuso

Erbivori opportunisti Evitano piante che sono ben difese Sono attratti da piante che forniscono

abbondanti nutrienti Sono respinti da composti chimici secondari e

altri deterrenti Causano spesso involontariamente resistenza

indotta nelle piante ospiti che diventano più resistenti dopo la loro alimentazione

Sono gregari, coloniali e raggruppati nello spazio

Hanno un tasso intrinseco di crescita più alto Hanno una dinamica di popolazione più

variabile rispetto agli erbivori furtivi

Caratteristiche delle specie di erbivori furtivi e opportunistici definite da Rhoades (1985)

Specie furtive (stealthy)Livelli di popolazioni costantiUso conservativo della pianta ospite1. Attacco di tessuti di basso valore per l’ospite2. Alta efficienza di conversione del materiale ingerito3. Tasso di conversione del materiale ingerito basso4. Alta digeribilità del cibo5. Tasso di alimentazione basso (indice di consumo)6. Temperatura del corpo bassa7. Tasso metabolico basso Livelli costanti di parassitoidismo e predazioneTassi costanti di sopravvivenza e riproduzione1. Tasso intrinseco di crescita della popolazione basso2. Fecondità massima bassa Non migratoriRiproduzione anfigonicaMutua interferenza1. Uova singole2. Solitari3. Territoriali4. Dispersione del danno spazialmente regolare

Specie opportunistiche (opportunistic)Livelli di popolazioni variabiliUso dissipativo della pianta ospite 1. Attacco di tessuti di alto valore per l’ospite2. Bassa efficienza di conversione del materiale ingerito3. Tasso di conversione del materiale ingerito variabile4. Bassa digeribilità del cibo5. Tasso di alimentazione variabile (indice di consumo)6. Temperatura del corpo alta7. Tasso metabolico altoLivelli variabili di parassitoidismo e predazioneTassi variabili di sopravvivenza e riproduzione1. Tasso intrinseco di crescita della popolazione variabile2. Fecondità massima altaMigratori e non migratoriRiproduzione anfigonica e partenogeneticaMutua facilitazione1. Uova in ovature2. Gregarii3. Colonizzatori4. Dispersione del danno spazialmente contaggiosa

Furtivi OpportunistiCommunicazioni tra piante

Soppressioni communicazioni

Emissione di controsegnali

Immunità acquisitaRicognizione

Ricognizione soppressa

Sorpresa

Difese inducibili Difese inducibili soppresse

Difese indotte diminuite

Difese costitutive Detossificazione Evitazione

Adattamenti difensivi delle piante e contro adattamenti aggressivi delle piante definito da Rhoades (1985)

Molto evidente Poco evidente Pochissimo o per nulla evidente

Adattamenti difensivi delle piante

Adattamenti offensivi degli erbivori

Erbivori Strategie Tattiche Impiegate da erbivori

Dinamiche delle

popolazioni risultanti

Poco aggressivi

Scelta Evitare l’attrazione Opportunisti Popolazioni variabili

Cambiamenti nella morfologia e fisiologia dell’erbivoro

MetabolizzazioneDetossificazione

Molto aggressivi

Manipolazione dell’ospite

Cambiamento della nutrizione e della difesa dell’ospite

Furtivi Popolazioni basse e invariabili

Strategie aggressive di erbivoro e loro conseguenze schema di Rhoads (1985) modificato da Karban e Agrawal (2002)

Prince (1990, 1992) descrive una dicotomia tra erbivori latenti e eruttivi

Erbivori latenti (Le popolazioni non esplodono numericamente)Le risorse di alta qualità sono scarse

Questa scarsità causa la scelta delle femmine ovideponenti, che risulta in un adattamento della linea biologica includente un’ alta specificità nell’uso dell’ospite

Emigrazione dai luoghi ad alta densità Dinamiche della popolazione: latente

Erbivori eruttivi Risorse alimentari di più bassa qualità Femmine che mancano di abilità a fissare o a scegliere ospiti di

qualità Queste caratteristiche biologiche permetto alla popolazione di

diventare, qualche volta, molto grandeLa chiave di distinzione secondo questo modello è se le

femmine fissano e rispondono alla qualità delle risorse

Modello delle strategie aggressive dell’erbivoro e loro conseguenze definito da Prince (1990)

Sindrome Risorse consumate

Scelta? Caratteristiche biologiche

Dinamica della popolazione

Erbivoro latente

Alta qualità Scelte delle femmine ovideponenti

Alta specificità dell’ospite Emigrazione per Alta densità

Relativamente Basso numeroBassa variazione

Erbivoro eruttivo

Più bassa qualità

Le femmine non possono valutare la qualità o scegliere

Bassa specificità dell’ospiteBassa dispersione

Può pervenire a Alti numeriAlte variazioni

In questi due modelli la scelta della pianta ospite è un determinante importante della biologia e della dinamica di popolazione dell’erbivoro

Rhoades (1985) E’ più dettagliato circa le strategie e le tattiche dell’erbivoro

Prince (1992)Non sviluppa una distinzione tra le strategie dell’erbivoro,

anche se ci sono esempi di Erbivori latenti che mostrano una forte correlazione tra

preferenza di ovideposizione e rendimento della larva Erbivori erutivi che mancano di esibire una scelta o di dimostrare

una correlazione positiva tra preferenza per un ospite e rendimento su quel ospite

Il concetto su cui si basa questo modello è supportato da esempi in letteratura dove, per altro, si trovano anche fatti contrari che però non negano la validità del modello

Karban e Agrawal (2002) descrivono una teoria di aggressività degli erbivori

La scelta Rhoades e Prince enfatizzano l’importanza della scelta Karban e Agrawal sottolineano che molte difese delle piante

diventano efficaci solamente se l’erbivoro fa una scelta appropriata invece che sofisticata (Anticipare le proprie decisioni prima che venga risolta ogni incertezza)

– Le piante che avvelenano i loro erbivori non hanno necessariamente un benessere più elevato delle altre

– Gli erbivori avvelenati riducono meno il benessere delle piante degli altri erbivori

– Le difese che impediscono all’erbivoro di mangiare sulla pianta ne aumentano le prospettive

– Le difese che agiscono prima di un danno efficace alla pianta saranno più efficaci di quelle che agiscono dopo l’ingestione

» Le difese beneficiano molto delle strategie pre-ingestione, perché l’erbivoro può essere dissuaso

– Gli erbivori a differenza delle piante possono derivare un beneficio da strategie pre- e post-ingestione

continua

La selezione– Può favorire le piante che rispondono al rischio degli erbivori– Può favorire gli erbivori che valutano la qualità della pianta e la

scelgono in accordo con questa• Le caratteristiche che permettono all’erbivoro di accertare la

qualità della pianta possono beneficare sia l’erbivoro che la pianta

• La pianta può dare una reale informazione ai loro erbivori sul suo livello di difesa

– In autunno la colorazione brillante delle foglie di una pianta ospite non la indica come un ospite molto buono

» Gli afidi che depongono la progenie sulle foglie di acero scelgono piante dove queste sono di colore giallo o arancione ed evitano quelle dove sono rosse

Aggressione dell’erbivoro e plasticità adattativa– L’aggressività dell’erbivoro può operare prima

o dopo l’ingestione della pianta ospite può essere• Plastica

– Dipendendo dall’ospite o da altre condizioni• Fissa

• La plasticità fenotipica, in teoria, può massimizzare il benessere in ambienti variabili

• Un erbivoro può manifestare plasticità – Attraverso due vie

• Scegliendo quali risorse esplorare• Alterando la propria morfologia e fisiologia

• Gli erbivori possono essere plastici – In entrambe le vie

• Es. Enzimi inducibili di erbivori generalisti– In nessuna via– In una categoria e non nell’altra

Le tattiche aggressive se sono plastiche conducono ad alcune previsioni• Prima via

– Gli erbivori Generalisti • In genere aggiustano le loro caratteristiche agli

ospiti di cui si nutrono– Alcune caratteristiche non sono plastiche come

» Gli enzimi salivari» Le camere filtranti degli omotteri

– Gli erbivori Specialisti • Probabilmente non sono plastici

• Seconda via– Le caratteristiche aggressive che non sono plastiche molto spesso

sono associate con le risorse delle piante altamente prevedibili dall’erbivoro

• Questo è particolarmente vero per le caratteristiche post-ingestione

• Una volta che il cibo è ingerito se la morfologia e la fisiologia dell’intestino non sono plastici, il cibo è meglio prevedibilmente palatabile e nutritivo

– Le caratteristiche aggressive che sono plastiche coinvolgono risorse imprevedibili

• Le larve del lepidottero monarca tagliano le vene delle piante lattiginose solo quando il volume del lattice e la sua pressione nella pianta sono alte

• Terza via– Caratteristiche aggressive che operano in pre-ingestione

specialmente per le caratteristiche non plastiche– Un erbivoro ha meno opportunità di manipolare il proprio ospite una

volta ingerito– Le piante intatte, giovani e a rapida crescita sono le più inducibili e le

più manipolabili da parte dell’erbivoro

Costi e limitazioni dell’aggressività negli erbivori– Costi e benefici

• L’aggressività per l’erbivoro è un costo– Uno dei più grandi costi della mancata scelta è che molte piante ospiti

suscettibili sono rifiutate• L’abilità a riconoscere alcuni alimenti può andare a scapito del riconoscimento di

altro cibo o di potenziali altri stimoli• I sistemi enzimatici che rispondono a costituenti del cibo comportano un

potenziale assegnazione di costi• I simbionti determinano un costo agli erbivori

– I simbionti batterici negli afidi ne aumentano la fecondità mentre riducono altri aspetti del benessere

• Il taglio delle vene delle piante lattiginose rende l’erbivoro ben evidente ai loro predatori e alla sfida fisica degli essudati attaccaticci

• L’alimentazione gregaria aumenta – La competizione intraspecifica– L’attrazione dei predatori– La probabilità di indurre risposte dalla pianta

• La sequestrazione di prodotti chimici della pianta è una spesa– Migliorare le misure dei costi e dei benefici di tattiche aggressive in termini

di prestazione e benessere migliora • La possibilità di predire il risultato della interazione ecologica e la coevoluzione

Pre-ingestione Post-ingestione

A Esempi di tattiche offensiveQuando la caratteristica lavora?

Caratteristica plastica Comportamento di sceltaInvasione, affienagione di ospiti selezionati

Dieta mista, erudizioneEnzimi inducibili, morfologia

Caratteristica non plastica Nessun comportamento discriminatorioIrritante e foglie arrotolateEnzimi salivari

Fisiologia, morfologia fisseSequestrazioneSimbionti digestivi interni

B PreredizioneQuando la caratteristica lavora?

Caratteristica plastica GeneralistaRisorse imprevedibiliPuò essere aggressivo

GeneralistaRisorse imprevedibili Meno aggressivo

Caratteristica non plastica Più specializzatoRisorse prevedibiliMolto aggressivo

Più specializzatoRisorse prevedibiliMeno aggressivo

Aggressività di erbivoro categorizzata per plasticità e tempo di azione (Karban e Agrawal 2002)

Riconoscimento della pianta ospite

Le ipotesi

Nel 1920 Brues indica l'esistenza di "un istinto botanico"

– Suggerendo che le piante forniscono agli erbivori i messaggi chimici di identificazione • L’accettazione di una particolare pianta da parte

di un insetto è correlata– Alla composizione nutrizionale – Alla nicchia ecologica della pianta in un

determinato ambiente dell’insetto

Nel 1959 Frankel formalizza il concetto di prodotti secondari delle piante

– Come "stimoli segnale" evoluti come meccanismi della difesa botanica

• Questa affermazione è corroborata dal modo non corretto di sostenere che un prodotto secondario come l'olio di senape e il suo glucoside precursore (glucosinolato) stimolino invece che prevenire l'attività trofica dell'erbivoro

fotosintesifotosintesi

Metabolismo primario del carbonioMetabolismo primario del carbonio

fosfoenolpiruvatofosfoenolpiruvato piruvatopiruvato3-fosfoglicerato3-fosfoglicerato

ciclo dell’acido ciclo dell’acido tricarbossilicotricarbossilico

acidi aminoalifaticiacidi aminoalifatici

acetil CoAacetil CoA

via acido via acido malonicomalonico

via acido via acido mevalonicomevalonico via MEPvia MEP

via acido via acido sicimicosicimico

acidi amino acidi amino aromaticiaromatici

prodotti secondari prodotti secondari contenenti nitorgenicontenenti nitorgeni

composti fenolicicomposti fenolici terpeniterpeni

eritroso 4-fosfatoeritroso 4-fosfato

Metabolismo secondario del carbonioMetabolismo secondario del carbonio

Nel 1960 Thoestrinson e nel 1965 Kennedy • Sostengono che la selezione dell’ospite è la

conseguenza – Della risposta dell’insetto ai prodotti fitochimici

nutrienti e non nutrienti della pianta• La loro teoria deriva dal fatto che molti insetti

sono stimolati a mangiare da carboidrati vitamine e amminoacidi

Nel 1975 Heftmann e nel 1976 Seigler e Prince hanno dimostrato come

– Le sostanze secondarie abbiano più una funzione primaria che secondaria• In quanto funzionano come regolatori di

importanti processi biochimici della pianta

Nel 1970 Whittaker• Indica i prodotti secondari della pianta come Allelochimici

– Definiti come sostanze chimiche non nutrienti prodotte da un individuo di una specie che influenzano la popolazione di un’altra specie a livello

• Della crescita • Della salute • Del comportamento o della biologia

• Gli Allelochimici possono funzionare come – Allomoni che rappresentano i prodotti della pianta che

funzionano verso l’insetto come deterrenti, repellenti o inibitori di alimentazione e ovideposizione

– Cairomoni che rappresentano i prodotti della pianta che attirano, arrestano o stimolano l’alimentazione e l’ovideposizione dell’insetto

La questione centrale è rispondere alla domanda

• Quale è il codice sensoriale per il quale il sistema nervoso centrale distingue una pianta da un'altra?

Si può sostenere che i recettori gustativi caratteristici hanno fatto pensare che

– Un modello di attività multirecettiva, costituisca il codice base per la ricognizione e la discriminazione di piante da parte dell’insetto

• I recettori gustativi mascellari di Manduca hanno un comportamento discriminatorio tra tre differenti piante alimentari preferite

• La risposta gustativa di Manduca consiste in un periodo fasico di circa 150 msec. seguito da uno prolungato, di 3-5 min, che si adatta lentamente al periodo tonico

– Nel periodo fasico solo un recettore risponde » Così quando è attivato il recettore deterrente

Manduca non inizia a mangiare e viceversa– Nel periodo tonico viene esibito un consistente

modello che porta informazioni sulle qualità gustative della pianta

Il sistema sensorio mostra che l'idea originale in cui il comportamento

–E’ inteso in termini di eccitazione di specifici recettori

• E’ solo parzialmente corretta

Esempio Lymantria dispar Non possiede un recettore che viene eccitato dall'acido tannico a concentrazione equivalente al massimo osservato nelle piante

• Quello che in effetti l'acido tannico fa è di inibire i recettori dello zucchero similmente alle quinine, diperidine e caffeina

• L'inibizione di recettori gustativi da parte della attività di certi tannini a concentrazione fisiologicamente significativa è reversibile e dipendente dalla concentrazione

• L'inibizione può essere bloccata – Dall'incremento di concentrazione dello zucchero in

misture stimolanti » Questo fatto al contrario può essere controbattuto

per incremento della concentrazione dell'inibitore• I tannini e alcaloidi, a lungo concepiti come deterrenti

possono, in rapporto ai loro effetti inibitori essere – Percepiti da alcuni insetti solamente come l'assenza dello zucchero

La preferenza È espressa come

Quantità di cibo consumato Velocità con la quale è ingerito

La palatabilitàÈ determinata

Dalla quantità di lavoro fatto Dalle avversità tollerate

I fattori che determinano la palatabilità sonoLe condizioni delle intensità degli stimoli alimentari olfattivi e

gustativiL'intensità di repellenti e deterrenti Lo stato metabolico dell'animale

• Che include il grado di privazione di specifiche deficienze del regime dietetico

Il MalessereGli Insegnamenti acquisiti come risultato

• Di precedenti esperienze alimentari • Delle influenze parentali e culturali

La palatabilità di un composto è data • Dalla sua concentrazione

– Il carattere delle relazioni concentrazioni/risposta è descritto da curve a sigmoide

• L'espandersi delle curve sopra la portata media varia in relazione al composto

• La risposta ad alcuni composti è caratterizzata da curve bimodali, che rappresentano

– L’accettazione ad un livello di concentrazione e il rifiuto ad un altro livello di concentrazione

» Cloruro di sodio ed etanolo ricadono in questa categoria di composti

• Dagli altri composti con cui è mescolato– Due piante con eguale concentrazione di identici alcaloidi possono

differire marcatamente nella palatabilità • Perché differiscono nella concentrazione di altri composti

La palatabilità del cibo è una funzione del rapporto tra fattori positivi e negativi

– Tutti i cibi contenenti fattori positivi se presenti da soli stimolano l'alimentazione

– Tutti i cibi contenenti fattori negativi se presenti da soli possono prevenire l'alimentazione

Il test di palatabilità più rigoroso è quello basato su una scelta multipla

Perché in questo modo l'animale può• Comparare la palatabilità di ogni cibo entro un tempo breve

• Comparare il tempo dell'attività di post-ingestione a un comparativo di basso riflusso

• La dieta sulla quale un largo numero di insetti sostano è detta “la preferita” – Un semplice movimento a caso, influenzato

dagli stati metabolici, che agiscono sui centri locomotori, mantiene molti animali • Su di un cibo adeguato senza che sia stata

esercitata alcuna selezione basata su informazioni sensorie

L’Apprendimento da una esperienza precedente è

– La ritenzione su una preferenza che ha due effetti opposti • Induzione • Avversione

.

.L’induzione è quel processo per cui – l'ingestione di un particolare cibo per un periodo

di 24 ore o più crea • Una preferenza per quel cibo su altri che in

precedenza sono stati accettati allo stesso modo

L'induzione può avvenire solamente entro – Un insieme di diete geneticamente determinate

L’avversione è un processo contrario alla induzione– Larve polifaghe di Lepidotteri Arctidi dopo essere state

male su una pianta altamente palatabile, Petunia hybrida• Una volta ristabilitesi ne consumano meno, in una situazione di

scelta possono rifiutare la pianta– Larve oligofaghe di M. sexta se sono indotte fortemente su

Solanum pseudocaspium e poi fatte ammalare sulle stesse piante con una dose subletale di insetticida

• Una volta che si sono rifatte mostrano una limitata avversione verso la pianta

L'avversione al cibo può essere– Vantaggiosa per gli insetti generalisti – Meno vantaggiosa agli i insetti specialisti che sono frenati

nella scelta di piante potenzialmente dannose • Da sensori determinati geneticamente • Dal sistema nervoso centrale filtratore di informazioni

• L’apprendimento associativo più elevato– Ha un ruolo maggiore nel condizionamento

del comportamento alimentare specialmente quando è relativo al foraggiamento

• L’apprendimento per influenze parentali– I genitori possono influenzare le scelte dei

giovani, relativamente agli alimenti, solo quando essi sono ancora dipendenti

Una importante componente delle influenze culturali tra gli insetti fitofagi oligofagi è

– La predeterminazione iniziale delle larve indotte ad alimentarsi su particolari specie di piante dovuta alla preferenza di ovideposizione degli adulti

Chrysolina brunsvicensis Grammia geneura Uroleucon ambrosie

Schistocerca americana Bemisia tabaci Delia radicum

Euphydryas spp Taemiapoda equesLymantria dispar

Ricerca della pianta ospite

La selezione di una pianta ospite adatta pone agli insetti due principali sfide

– La detenzione e localizzazione della pianta ospite a distanza

– La conferma delle proprietà della pianta in termini di specie e quantità

I principali comportamenti di ricerca negli insetti sono

–La ricerca a caso (random)–La ricerca diretta

Ricerca a caso (random)Quando il ricercante ha

– Una frequenza, un tasso e una direzione di movimenti • Che appaiono non correlati alla propriatezza delle piante entro la percentuale

disponibile all’insetto – La generazione dei movimenti a random viene spiegata

• Dal funzionamento dei programmi del motore centrale localizzato nel sistema nervoso centrale

– Come un insetto diventa motivato alla ricerca del cibo questi programmi vengono attuati e l’insetto può iniziare a camminare o a volare a caso durante la ricerca

– I movimenti di esplorazione possono essere performanti per aumentare la probabilità che una risorsa sia scoperta lungo il percorso

– Questo tipo di ricerca può essere la migliore opzione possibile quando

• I segnali dell’ambiente sono forniti senza una direzione • La capacità sensoria dell’insetto è insufficiente ad ottenere gli

stimoli richiesti

Ricerca diretta • Quando la pianta ospite emette segnali che da soli o

combinati con un secondo segnale permette che • La direzione sia percepita dal sistema sensorio dell’insetto

cercante – In questa situazione il movimento

• E’ diretto da informazioni sensorie su segnali esterni che possono essere anche sotto l’influenza di programmi del motore centrale

• In un area relativamente calma gli insetti rispondono a gradienti dell’odore della pianta per chemiotassi positiva seguendo una delle due vie seguenti:

– Confronto temporale delle informazioni provenienti dai recettori olfattivi

– Comparazione degli imput sensori provenienti simultaneamente da un paio di sensori olfattivi bilaterali

Insetti che sono stati visti ricercare sia a random che in modo diretto

– Dendroctonus brevicomis e Ips paraconfusus ricercano a random

– Ips typographus localizza le piante danneggiate o ammalate

• Orientando i sui movimenti su le sostanze volatili rilasciate dalle piante quando si trova a distanza di alcuni metri da queste

– Plutella xilostella ricerca sia con il sistema random che con quello diretto

• L’insetto inizia la ricerca volando a caso sulla vegetazione

• L’insetto muta il comportamento in ricerca diretta quando sono individuati odori favorevoli a breve distanza dalla sorgente

– Il movimento verso gli odori è dato da una combinazione di anemotaxi condizionata dagli odori fino all’atterraggio

L’insetto come usa il segnale chimico nel ritrovamento della pianta? •Le risposte alternative sono due

– L’eccitazione dovuta al pennacchio di odore che innesca uno stato di prontezza verso la risposta ad alcuni ulteriori stimoli

• Delia radicum si orienta controvento e decolla solo in seguito a una stimolazione proveniente dall’odore dell’ospite

• L’insetto dopo voli di 50-150 cm atterra, si riorienta velocemente controvento e poi decolla

• Nel caso in cui il pennacchio odoroso venga perso durante il volo, il dittero rimane a terra fino a quando non riesce a percepire l’odore, una volta percepito decolla e riprende la ricerca della pianta ospite

– L’eccitazione dovuta al pennacchio di odore che agisce come un attivatore per il volo e l’orientamento dopo il decollo

• Sulla femmina di Manduca sexta l’odore della pianta agisce come un attivatore per il volo

– Inducendo la farfalla a decollare da una condizione di riposo o di deambulazione

»La farfalla una volta in volo procede a zig-zag per evitare la perdita del pennacchio odoroso

Quali sono le caratteristiche ottiche delle piante ospiti che selezionano il comportamento del fitofago?

• Il colore – Delia radicum ad esempio riceve una indicazione all’atterraggio

da una foglia artificiale quando è dipinta con colori che mimano la riflessione della pianta ospite

– Trialeurodes vaporariorum conta » Sulla visione per identificare inizialmente la pianta ospite

dalle altre » Sugli stimoli olfattivi della pianta entrano in gioco solo

quando l’insetto è molto vicino alla pianta– Aphis fabae atterra preferibilmente sulle foglie gialle.

» Perché risponde alla lunghezza d’onda della luce gialla (560-580 nm) e non al giallo

• La dimensione – Mamesta brassicae risponde alla grandezza di un target

artificiale e non alla sua forma• La forma

– Mamesta destructor è sensibile alla forma del target

Processi di accettazione della pianta

Valutazione delle caratteristiche esterne della pianta da parte dell’insetto

• Quando l’insetto arriva su una pianta e la tocca entra nella fase di contatto con la pianta trovata

• Allora si innescano una serie di comportamenti che servono a valutare le caratteristiche fisiche e chimiche di una pianta

– La locomozione dell’insetto si blocca e i movimenti si restringono a una piccola area sulla superficie della pianta

• Questo fatto è considerato come “arresto” durante il quale le strutture della pianta guidano i movimenti del camminare dell’insetto

– Un insetto che cammina può salire lungo il fusto della pianta e iniziare a muoversi in piccoli circoli sopra la sua superficie

– In questo modo valuterà la pianta attraverso un contatto ripetuto fatto con

» Le zampe » Le antenne » Le appendici boccali» L’ovopositore

• E’ in questa fase di “arresto” che l’insetto valuta le caratteristiche della pianta analizzando

– La superficie morfologica – La tessitura – La struttura cerosa

Le caratteristiche esterne• I tricomi possono dissuadere o attrarre insetti

– I lunghi tricomi riducono gli atterraggi di Epilachna varivestis su soia

– I tricomi ghiandolari della patata selvatica boliviana Solanum berthaultii producono un fagodeterrente attivo nei confronti di Leptinotarsa decemlineata

• La pubescenza – Impedisce la penetrazione dell’epidermide– Aumenta l’accettazione da parte di certe piante ospiti

verso alcuni fitofagi • Le femmine di Helicoverpa zea si accoppiano più

facilmente su superfici pubescenti delle foglie di mais

• I componenti lipidici – Dello strato ceroso della epicuticola della pianta ospite sono importanti

mediatori tra fitofago e piante ospiti • Aphis fabae inizia la penetrazione degli stiletti molto prima su Avena

sativa privata delle loro cere epicuticolari che su piante intatte – La struttura cristallina della cera di Avena sativa può essere rilevata

dai sensilli meccanorecettori – I lipidi epicuticolari funzionando come allelochimici vengono rilevati

dai sensilli chemiorecettori dell’insetto– La presenza di particolari cere epicuticolari sulle foglie dell’avena

funzionano da fagodeterrenti verso l’afide• Plutella xylostella che si ciba di brassicacee (crucifere)

– Quando incontra cultivar resistenti in confronto a cultivar suscettibili spende

» Molto tempo a camminare » Meno tempo nella palpazione

– La differenza nel comportamento alimentare è dovuta a differenze della superficie cerosa sulle due cultivar

» Le cultivar resistenti rispetto cultivar suscettibili hanno più alcoli primari e terpenoidi

L’insetto dopo che ha valutato le caratteristiche esterne (fisiche) della pianta

– Mette in atto il test di assaggio (o di sondaggio se l’insetto è un fitomizo) dei tessuti

– Un test di assaggio è tipicamente più piccolo che un morso regolare • Il materiale della pianta può essere tenuto nella cavità preorale per un periodo di tempo più lungo in confronto alla durata che segue la presa regolare del cibo

Le caratteristiche interne della pianta •Le cellule delle piante contengono un elevato numero di composti chimici che funzionano differentemente come

• Fagostimolanti • Fagodeterrenti

– I nutrienti • Sono i principali fagostimolanti rilevati durante il “test di assaggio”

– Tra gli zuccheri il fruttosio e il saccarosio sono fagostimolanti a differenza dei pentosi

– I composti secondari • Quando sono in bassa concentrazione forniscono indicazioni a

insetti monofagi e oligofagi (specialisti) per la ricerca dell’ospite giusto

– I glucosidi iridoidi caratterizzano le piante ospiti di Junonia conia (lepidottero) e agiscono come

» Fagostimolanti » Stimolanti l’ovideposizione

Dendroctonus brevicomis Ips paraconfusus Ips typographus

Plutella xilostella Aphis fabaeMamesta brassicae

Epilachna varivestis Helicoverpa zea Junonia conia

Orientamento

Contatto

Feeding

Riproduzione

Fasi del comportamento

dell’insetto

Caratteristiche della pianta

Odori

Odori di superficie

Nutrienti interni

Metaboliti secondari(Fagodeterrenti)(Fagostimolanti)

Piante non ospiti Piante non ospiti

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Pianta ospite

Processo di accettazione dell’ospite

Orientamento

Contatto

Feeding

Riproduzione

Fasi del comportamento

dell’insetto

Caratteristiche della pianta

Odori

Odori di superficie

Nutrienti interni

Metaboliti secondari(Fagodeterrenti)(Fagostimolanti)

Piante non ospiti Piante non ospiti

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Pianta ospite

Processo di accettazione dell’ospite

La teoria degli ”atterraggi appropriati/inappropriati”

Finch e Collier 2000

• Gli atterraggi avvengono sempre su superfici verdi naturali e artificiali e quasi mai su quelle brune – Gli atterraggi appropriati sono quelli sulle piante ospiti

• Le piante ospiti su terreno nudo stimolano l’insetto ad atterrarvi (appropriato) e così le piante ospiti avranno l’effetto di concentrare gli insetti

– Gli atterraggi inappropriati sono quelli sulle piante non ospiti

• Le piante ospiti circondate da piante non ospiti possono stimolare l’insetto ad atterrare anche su queste ultime (inappropriato)

– Il tempo che gli insetti rimangono sulla pianta non ospite dipende dagli stimoli antagonisti che ricevono attraverso i sensilli chemiorecettori tarsali e boccali

• Il sistema completo della selezione delle piante ospiti coinvolge tre eventi susseguenti inestricabili– 1° legame

• Governato dai suggerimenti dei prodotti chimici volatili delle piante che, in quantità sufficiente a influenzare i sensilli olfattivi, determinando più che la direzione l’arresto del volo

– 2° legame• Governato dagli stimoli visivi

1°) Fototassi, una reazione diretta al colore della pianta2°) Reazione optomotoria attraverso la quale l’atterraggio è

provocato dalla apparizione improvvisa della pianta lungo il percorso di volo dell’insetto

Gli stimoli visivi, nella teoria, sono considerati la chiave per la selezione della pianta ospite da parte degli insetti fitofagi

– 3° legame• Governato dai suggerimenti dai prodotti chimici non volatili

delle piante che condizionano l’accetazione o il respingimento degli insetti attraverso gli stimoli che ricevono attraverso i sensilli tarsali

La teoria degli atterraggi appropriati/inappropriati espressa da Delia radicum nella ricercae accettazione della pianta ospite in presenza di una pianta non ospite (Trifolium spp).

1) I prodotti chimici volatili indicano all’insetto in volo che sta passando su una pianta suscettibile 2) L’azione primaria dei prodotti chimici volatili è quella di stimolare gli insetti ad atterrare 3a) Gli insetti che volano su piante che crescono su suolo nudo sono stimolati ad atterrare su piante

ospiti. Gli insetti che volano su piante ospiti (3a) circondate da piante non ospiti (3b) (trifoglio) in proporzione alle aree relative occupate dalle foglie delle piante ospiti e non ospiti essendo entrambe verdi non vengono discriminate dall’insetto

3b) Gli atterraggi su piante non ospiti sono classificati come “inappropriati 3c) La femmina accetta una pianta ospite e dopo che le ha compiuto attorno 4 voli a spirale da foglia a

foglia le depone vicino le uova 4) Gli insetti una volta che sono ancora in volo se sono stimolati ad atterrare dopo che hanno volato

una breve distanza 5) e 6) potrebbero atterrare su una pianta ospiteLa femmina di Delia radicum ha maggiori probabilità di perdere la pianta ospite in un diverso ambiente se ripete, in media, per 3 volte l’iniziale procedura di atterraggi appropriati/inappropriati

Particolare della figura precedente, a livello di 3c, che illustra come i diversi ambienti influenzano l’accettazione della pianta ospite da parte di Delia radicum

Di 100 femmine che hanno atterrato su una Brassicacea circondata da terreno nudo 36 hanno sono state stimolate a ovideporreDi 100 femmine solo 7 hanno atterrato su una Brassicacea circondata da Trifolium spp. In questa situazione poche femmine riescono ad ovideporre perché durante le corte spirali una parte di queste atterrano sulle piante non ospiti, mancano così di ricontattare la pianta ospite e quindi nel tempo assegnato non accumulano sufficiente stimolazione dalla pianta ospite per posarvisi

• La barriera che l’insetto, Delia radicum, deve fronteggiare, quando la pianta di Brassica è in ambienti diversi non è chimica ma comportamentale perché durante la serie innata di voli a spirale il dittero può continuare ad accumulare più stimoli positivi dalla pianta ospite ogni volta che vi atterra– La quantità di stimoli che la femmina raccoglie ad ogni

atterraggio è crucciale • Questo è il momento dove la fase di ritrovamento della pianta (1°

legame) diventa veramente integrato con l’accettazione (3° legame) della pianta ospite

– Il sistema completo realmente coinvolge ritrovamento e reritrovamento della pianta ospite

• Alcuni individui possono accumulare una quantità sufficiente di stimoli visitando solo 2 foglie di una pianta altamente stimolante o 6 foglie di una pianta scarsamente stimolante prima di ritrovare un luogo accettabile dove deporre la uova.

• Altri individui possono accumulare sufficienti stimoli per mantenere la propria ricerca ma insufficienti ad indurre l’ovideposizione e così volano via

• Altri individui che visitano alcune foglie ma non riescono al accumulare stimolo sufficiente in un determinato tempo e volano via

• Altri individui che inizialmente atterrano su una foglia stimolante e poi su una non stimolante indipendentemente dal fatto che appartenga ha una pianta ospite o non ospite, interrompono il tasso di accumulo di stimoli positivi così da indurli ad andare altrove

• La competizione interspecifica diventa importante durante la selezione di piante ospiti – Molti nuovi immigranti possono non accettare una pianta ospite già

colonizzata da certi insetti che ne costituiscono l’entomofauna

• Lo stato fisiologico dell’insetto che dipende– Dall’età

• Col tempo gli insetti diventano meno discriminanti nella scelta del luogo di ovideposizione

– Dall’intervallo di tempo in cui è stato privato • Di un ospite suscettibile all’ovideposizione

• Le condizioni della pianta– Alcune piante di crucifere sono maggiormente preferite di altre e

durante la fase di crescita esponenziale alcuni individui diventano altamente stimolanti gli insetti

– Le piante altamente stimolanti inducono l’insetto a visitare meno foglie riducendogli la possibilità di compiere un inappropriato atterraggio e stimolandolo a depositare più uova

• La teoria degli atterraggi appropriati/inappropriati è valida per – Gli insetti specialisti– Gli insetti generalisti

• Per i quali il tempo di rimanere su una pianta è determinato dai prodotti chimici non volatili che recepisce dalla foglia su cui è posato

– Gli insetti generalisti • Se sono stati stimolati ad atterrare dai prodotti chimici

volatili rilasciati da una determinata specie di pianta possono continuare la ricerca di una tale pianta invece di accettare la prima di queste incontrata

Come una pianta recepire l’attacco da un erbivoro

Tocco, ovideposizione e almentazione

• Tocco– Per induzione meccanica

• I canali ionici della membrana plasmatica sono attivati per stiramento seguito da un rapido cambiamento della “firma del CA++ citosolico”

• L’incremento della concentrazione di CA++ citosolico può innescare nella pianta un ulteriore segnale di trasduzione che determina l’induzione di geni coinvolti nella difesa o nella crescita della pianta

– Es. un tocco simulato su piante di grano induce la trascrizione di un gene codificante la lipossigenasi, un enzime fondamentale per la via octadecanoide indotta da danno

• Setole e uncini sui tarsi delle larve che camminano sulle foglie possono infliggere piccoli graffi che conducono ad una rapida sintesi dell’acido у-aminobutirrico (GABA) che ha un effetto negativo sullo sviluppo, sul tasso di crescita e sopravvivenza delle larve di insetto

– La concentrazione di GABA nella foglia è maggiore più a lungo la larva vi ha passeggiato sopra

– Il GABA nella difesa della pianta contro gli insetti agisce» Regolandone pH citosolico, Proteggendola dagli stress ossidativi, Regolandone i

processi osmotici, Intervenendo nei segnali intrapiante e Intervenendo nel bilanciamento C:N

– Per induzione chimica• La pianta può anche rispondere ai prodotti chimici rilasciati dai tarsi degli insetti costituiti

principalmente da lipidi cuticolari• Quando l’impronta contiene secrezioni addizionali la composizione chimica può

– Riflettere qualitativamente la struttura chimica generale della cuticola– Differire dalla struttura chimica generale della cuticola

» In Locusta migratoria la secrezione tarsale differisce dalla chimica della cuticola per la distribuzione degli acidi grassi e per contenere una fase acquosa (glucosio e altri saccaridi)

• Le impronte degli insetti sono state studiate con rispetto a– 1) Trasferimento di informazioni intraspecifiche tra piante visitate da insetti– 2) Segnalazioni interspecifiche tra insetti erbivori e loro parassitoidi– 3) Le funzioni adesive delle secrezioni tarsali da cuscinetti adesivi fibrillari o lisci

• Ovideposizione– La pianta può rilevare la ovidepozione degli insetti sulle foglie come il risultato di un

contatto persistente delle uova – L’ovideposizione senza ferita induce gli elicitori di difesa attraverso

• Il tocco fisico delle uova sulla superficie della pianta• Le secrezioni che attaccano le uova alla pianta

– Questi possono permeare la cuticola cerosa della pianta e entrare nelle cellule

– L’ovideposizione con ferita• Ferimento della foglia per attività alimentare della femmina gravida che poi

depone le uova sul tessuto sano della stessa• Ferimento della foglia per rimuovere l’epidermide per favorire l’adesione delle

uova • Dissezione foglia per inserire le uova nel tessuto della pianta con l’ovopositore

morfologico– Presumibilmente per proteggere le uova dal disseccamento

– Le uova inserite o deposte su tessuti feriti non innescano di per se una reazione difensiva delle pianta che succede quando una secrezione accompagna le uova nei tessuti ferite

– La deposizione delle uova induce una risposta specifica per la specie di pianta e di insetto

• Es. Neodiprion sertifer su pino silvestre emette un prodotto chimico volatile che chiama il parassitoide oofago Closterocero ruforum specializzato verso uova di Diprionide su pino. Gilpinia pallida altro ospite di C. ruforum non determina l’emissione dello stesso prodotto chimico volatile

– Parassitoidi generalisti di uova che rispondono ai cambiamenti delle piante indotti dalla ovideposizione possono adattarsi fenotipicamente alle specifiche difese della pianta attraverso l’apprendimento specifici segnali

Diprion pini Pyrrhalta luteola

Closterocero ruforumNeodiprion sertifer Gilpinia pallida

• Elicitori associati all’ovideposizione– Bruchins (acidi 3-idrossipropanoico mono e diesterificato con monoinsaturato

C22-diolo o mono- o dinsaturatoC24-diolo) sono elicitori della difesa diretta contro i coleotteri bruchidi

– Cianuro di benzile è un elicitore della difesa della pianta associata all’ovideposizione di Pieris brassicae e fa parte della secrezione delle ghiandole accessorie che accompagna l’ovideposizione

• La sua presenza cambia la chimica della superficie della foglia questo cambiamento aumenta il successo dei parassitoidi oofagi nel ritrovamento dei loro ospiti

– Proteinacei elicitori di difesa indiretta della pianta associata all’ovideposizione• La secrezione che ricopre le uova di Diprion pini e Pyrrhalta luteola

contiene l’elicitore che richiama i parassiti oofagi– Una pianta può valutare quante uova sono state deposte

• La femmina di P. luteola distinguere i prodotti chimici volatili prodotti da piante con un pesante carico di uova da quelli prodotti da piante con un basso carico di uova

– Tale differenziazione olfattiva per il coleottero richiede il rilascio di una miscela di composti chimici volatili qualitativamente e/o quantitativamente diversi in risposta al differente carico di uova

• Alimentazione– Gli erbivori rilasciano rigurgiti nelle ferite delle piante che elicitano risposte difensive

• La risposta trascrizionale è specifica al composto elicitore rilasciato da un particolare erbivoro aggressore

– Differenti specie di piante possono rispondere differentemente al medesimo elicitore• La risposta della pianta alla attività alimentare di uno specifico erbivoro può essere il

risultato della combinazione – Dello specifico danno fisico dell’erbivori– Dal tipo e dalla quantità di elicitori rilasciati durante l’alimentazione

– Elicitori applicati a tessuti di piante ferite induce alla produzione di• Fitormoni congiunti alla difesa• Composti chimici volatili che attraggono i nemici degli erbivori

– Elicitori• Volicitina

– Parte dell’acido grasso deriva dalle piante• Acidi grassi

– Acido linolenico, acido 17-idrossilinolenico e derivati• Amminoacidi

– Acido L-glutammina o acido L-glutammico– Amminoacidi coniugati (FACs)

» Il rigurgito di larva di Manduca sexta (N-linolenoil-L-glutammina; N-linolenoil-L-glutammato)

» Induce la difesa diretta (Inibitore della tripsina proteasi) e indiretta (Induzione di prodotti chimici volatili)

• Calciferini (acidi grassi α-idrossi solfato saturi o moninsaturi) – Trovati nel rigurgito di Schistocerca americana, induce lla pianta a produrre composti

chimici volatili)• Incepitins (derivati da chloroplastic ATP sntetasi per parziale proteolisi nell’intestino)

– Nel rigurgito di Spodoptera frugiperda che contiene Incepitins aumenta la produzione di JA e SA

Resistenza inducibili da erbivoro nella pianta

Resistenza inducibile ritardata (DIR)– Influenza gli erbivori della generazione successiva o nell’anno

successivo • Spesso è associata ad una risposta passiva alla perdita di

nutrienti durante la defogliazione

Resistenza inducibile rapidamente (RIR)– Influenza l’erbivoro corrente durante la sua vita

• E’ localizzata, ristretta alle aree attorno all’erbivoro • E’ una risposta di ipersensibilità di cellule localizzate

– Queste muoiono per prevenire le conseguenze dell’attività del fitofago

Resistenza sistematica acquisita (SAR) – Tutta la pianta risponde all’erbivoro – Ecologicamente della induzione di SAR contro i patogeni da parte

di insetti che stanno mangiando è considerata una evoluzione per gli insetti nella loro competizione con i patogeni per le sorgenti di cibo

Risposte indotte da erbivoro nella pianta

• L’induzione è una sorgente addizionale di variabilità– Una risposta rapida di quelle piante o parti di pianta

che sono sotto l’attacco di erbivori• Le risposte indotte nelle piante

– Creano variabilità nel cibo incontrato dagli erbivori– Alcune piante rispondono molto poco agli erbivori– Altre producono alti livelli di tossine

• La risposta indotta nelle piante • Nei diversi tessuti • Nei tessuti in differenti stadi di sviluppo

– Produrrà variabilità entro singole piante

• Le risposte indotte possono creare una variabilità temporanea – Fatto esemplificato dalle piante danneggiate che

diventano più variabili del controllo non danneggiato • Le risposte indotte possono creare variabilità

speciali – Esemplificate dai cambiamenti localizzati in particolari

tessuti che ricevono il danno• Le risposte indotte non sono solamente risorse di

variabilità in fenotipi resistenti – Infatti le piante come tali sono costitutivamente variabili

• Per esempio differenti tessuti di una pianta hanno differenti nutrienti e differenti composti chimici secondari che danno

– Una variabilità costitutiva nello spazio– Una variabilità costitutiva nel tempo data dallo sviluppo della pianta

» Può fornire una sorgente addizionale di molti dei benefici descritti come variabilità indotta

• Le risposte indotte – Produzione di tricomi nelle foglie

• Alcune specie di piante rispondono all’attacco di erbivori aumentando il numero e/o la densità di tricomi nelle nuove foglie

– L’incremento indotto di tricomi può essere espresso solo in foglie sviluppatisi durante o susseguente all’attacco

» La produzione può manifestarsi, nelle nuove foglie entro giorni o settimane dall’inizio dell’attacco

– La produzione di tricomi ha un costo infatti quando cessa il danno questa manifestazione nelle nuove foglie cala molto rapidamente

» Una evidenza di ciò è data da esempi di trade-off (compromesso) tra la densità dei tricomi e altre supposte difese come le spine

• Non tutte le piante sono indotte a produrre tricomi in seguito a danneggiamento da erbivoro

• Non tutti gli erbivori inducono la produzioni di tricomi • Gli insetti sulle piante così indotte spesso consumano meno fogliame e crescono

meno• La risposta della pianta al danneggiamento da insetto dipende dal suo modo di

alimentazione (masticare, minare e perforare)• La produzione di tricomi può deviare l’attività alimentare dell’insetto da parti

importanti per la pianta su altre che lo sono meno o su piante vicine non indotte• In piante indotte con foglie basali più vecchie manifestano una diversa

distribuzione nella concentrazione di tricomi che risultano più abbondanti nelle foglie nuove apicali

– In questa situazione l’attacco alle foglie basali è meno dannoso al benessere della pianta

– Produzione di composti chimici • Tannini • Alcaloidi • Glucosinolati

– Inibitori di proteine• Terpeni • Composti volatili

– Che attraggono predatori e parassitoidi

Complessità della risposta molecolare indotta dall’insetto

• La complessità delle risposte difensive delle piante è evidenziata dal coinvolgimento di elevato numero di trascrizioni di geni

• Più di 80 geni di sorgo (Sorgum bicolor) furono trovati essere sopra o sotto regolati da Schizaphis graminum un afide che si nutre del floema

• Una serie di 150 geni preselezionati di Arabidopsis furono regolati differentemente dal danno provocato dalla alimentazione di larve

• Circa 500 geni risposero quando la pianta di tabacco (Nicotiana attenuata) fu infestata da Manduca sexta

– Tra questi geni ce ne sono di due tipi• Quelli che codificano proteine con funzionanti nella difesa (segnali di

difesa, metabolismo secondario, stress abiotico, manutenzione della cellula e fotosintesi

• Quelli con funzioni sconosciute– Molte delle complessità delle risposte difensive risultano dal cambiamento

delle espressione dei geni che non codificano prodotti direttamente coinvolti nella resistenza agli insetti

• I geni della fotosintesi sono sotto regolati in risposta alla attività alimentare di insetti

– Queste risposte, presumibilmente, permettono la riallocazione prioritaria dell’energia alle risposte della difesa con soppressione di meno importanti funzioni quando le pinte sono affrontate da insetti

Risposta della ferita e segnali della ferita

Schema generalizzato di risposta alla ferita

Il ferimento conduce alla attivazione della espressione del gene in entrabe le foglie ferite (local) e non ferite (systemic). I profili della totale espressione del gene sono comunque differenti nelle foglie ferite e no. Il sommario mostrato degli eventi segnalanti che accadono nella foglia ferita è il migliore modello disponibile basato sulla combinazione di dati provenienti da molti differenti sistemi. Se gli eventi segnalanti che succedono in risposta al segnale sistemico sia lo stesso di quello delle foglie ferite non è chiaro

http://www.biol.sc.edu/~johstrat/Webpage/Images/fig2.jpg

• Difesa– Entro e nelle immediate vicinanze del luogo delle ferite meccaniche e da insetti si

deve pensare che c’è un elevato numero di cellule distinte a cominciare dal centro della ferita distinte in

– Strato di cellule danneggiate irreparabili • Rilasciano molte differenti molecole che possono agire sia come elicitori sia di

risposte in cellule vicine intatte o sia come tossine difensive– Strato di cellule non danneggiate, confinanti con quelle danneggiate, in stato di stress

• Generano segnali da ferita– Strato di cellule sane lontano dalla ferita

• Possono ricevere segnali generati dalle cellule attorno alla ferita– Tessuti aerei lontano dalle foglie ferite possono ricevere e rispondere a questi segnali– Le cellule intatte attorno all’area danneggiata

• Formano una barriera fisica coinvolgendo il rafforzamento della parete cellulare attraverso

– Legami ossidativi incrociati delle pareti cellulari subito dopo il ferimento – Sintesi nella parete cellulare di idrossiprolina ricca di glicoproteine che

hanno un ruolo strutturale quale le extensis– Produzione di polimeri derivati dai fenoli

» Lignina e suberina coinvolte nella sigillatura della ferita per evitare infezioni e perdita d’acqua

– Sintetesi del callosio, il polimero β-1,3-glucano più pronunciata nei pori plsmodemici

» Per induzione del calcio che cambia l’attività dell’enzima cellulosa sintetasi in callosio sintetasi

» Riduzione delle aperture plastodesmali» Ridotti movimenti intercellulari di macromolecole

• Formano difese chimiche– Metaboliti secondari

• Fitoalesine (flavonoidi, terpenoidi, alcaloidi, polyacetylenes, Isoflavoni, ecc.) lignina e suberina

• Sintetizzati in seguito a ferita per una rapida induzione coordinata di geni

– Calcone sintasi– Fenilalanina ammoniaca-liasi

– Proteine• Con attivita anti-feedant inibitori delle

– Proteine – α-amilasi – Polifenolossidasi – Lectine

• Segnalanti– Geni coinvolti nella generazione e percezione di segnali regolanti la risposta ai

ferimenti che non hanno un ruolo diretto nella difesa– L’inducibilità di tali geni implica

• Segnali precoci che li regola• Recettori per questi segnali primari presenti costitutivamente

– Le prime manifestazioni rilevate nelle foglie ferite comprende– Il flusso di ioni attraverso la membrana plasmatica– Il cambiamento della concentrazione del calcio nel citoplasma– Generazione di specie di ossigeno attivo– Cambiamento nei modelli di fosforilazione nelle proteine

• Tutti questi eventi accadono nei primi minuti che seguono il danno e non sono probabilmente responsabili nella induzione dell’espressione dei geni della difesa

– Gli elicitori di risposte alla ferita che comprendono anche glicani della parete cellulari (oligogalatturonidi e la sistemina) possono essere

• I segnali primari rilasciati sul danno cellulare• L’amplificazione delle risposte delle foglie ferite

– Questi elicitori svolgono un ruolo chiave nella segnalazione sistematica • I meccanismi proposti per la trasmissione di segnali a siti non feriti include

– L’attività elettrica– Il trasporto attivo degli elicitori nel floema – Il trasporto passivo degli elicitori attraverso il flusso di massa idraulico nello

xilema– La espressine dei geni della difesa è mediata primariamente dalla sintesi e dall’azione

di JA, etilene, acido abscisico (ABA)

• I primi eventi di segnalazione delle ferite– Flusso di ioni– Segnalzioni del Ca– Specie di ossigeno attivo– Fosforilazione delle proteine– Green leaf volatiles (GLVs)

– Flussi di ioni– Il rapido evento che segue il danno ai tessuti è serie di flussi

di ioni a livello della membrana plasmatica• Patogeni, ferite, glicani e sistemina determinamo una rapida

depolarizzazione del potenziale elettrico della membrana plasmatica a cui consegue

– Efflusso di ioni K+– Afflusso di protoni – Alcalinizzazione del mezzo extracellulare

• Questo flusso di ioni è fondamentale per la susseguente espressione dei geni della difesa

– Es. La fusicoccina, una micotossina, che attiva l’H-ATPase della membrana plasmatica e la iperpolarizza, è un potente inibitore della espressione del gene indotto da ferita, glicane e sistemina

• Il flusso di ioni che succede nella risposta da ferita meccanica evoca un attività elettrica trasmissibile a lunga distanza

» Questo può essere causativo del segnale mobile nella induzione della espressione genica a siti sistemici

– Segnalazioni del calcio• Il ferimento è seguito da un rapido incremento della concentrazione di

Ca2+ citoplasmatici– I Ca2+ sono un onnipresente e importante secondo messaggero di

ferita negli eucarioti– I Ca2+ modulano gli elicitori che inducono l’espressione del gene

suggerendo un ruolo occasionale nella segnalazione• Un ruolo supportato dal Ca2+ segnale nelle ferite è venuto dalla

identificazione di una serie di geni codificanti Ca2+ inducenti proteine– Calmodulina è un bersaglio primario per Ca2+ in molti sistemi di

segnalazione – Altre proteine che reagiscono alle ferite che sono coinvolte nel

segnale di trasduzione includono proteina-chinasi calmodulina -dominio (EtCDPK) e calcineurin 2B omologo una subunità della calmodulina-dominio della proteina fosfatasi 2B

• Il Ca2+ rilasciato dalla riserva interacellulare e la calmodulina possono essere coinvolti nella regolazione differenziale della sintesi indipendente e indipendente di JA

• Nel caso di sistemina indotta da un aumento di Ca2 + citoplasmatico in cellule di pomodoro le sorgenti di Ca2+ intra- e extracelluare appaiono essere coinvolte

• L’inabilità di JA a elicitare il flusso di Ca2+ indica che il segnale Ca2+ è a monte della segnalazione di JA

• Ca2+ potrebbe quindi svolgere più ruoli nelle segnalazione da ferita

– Specie di ossigeno attivo• La produzione di specie di ossigeno attivo include

– Il radicale superossido (O2)– Il perossido di idrogeno (H2O2)

• E’ un evento precoce nella risposta delle piante alle ferite e a molti altri stress biotici e abiotici

• Due fasi maggiori di produzione di specie di ossigeno attivo succedono in risposta alla ferita

– Un ampio aumento di O2 e H2O2 si ha nei primi minuti che seguono il ferimento del mesocarpo della zucca (Cucurbita maxima)

– Un secondo più sostenuto aumento quantitativo di H2O2 succede al di sopra di un ora

– Questa seconda fase di produzione di H2O2 è correlata con l’attività indotta da ferita della poligalaturonasi, in pomodoro è indipendente da JA

» La poligalaturonasi può rilasciare OGAs endogena che agisce come elitore di H2O2 in tessuti locali e sistemici

• L’induzione da ferita di H2O2 è prodotto dal superossido attraverso la via superossidi desmutasi

• Questo scenario porrebbe in qualche modo porre H2O2 nella catena di eventi che collegano il ferimento con la espressione del gene di difesa

– Fosforilazione delle proteine– Meccanismo onnipresente per la regolazione della attività delle proteine

• Uno di questi è impiegato comunemente in vie di trasduzione del segnale includenti il ferimento

– Diverse proteine chinasi sono state identificate per essere indotte da ferimento a cui consegue

• Incremento della l’attività proteica o dell’espressione genica includendo – Una proteina chinasi indotte dall’acido abscisico e dalla glicogeno sintasi

chinasi -3 ( GSK -3) omologa – Le funzioni di queste chinasi sono sconosciute ma comunque fanno parte

delle mitogeno-attivate proteina chinasi (MAPK) che hanno un ruolo chiave nella segnalazione di ferita

» L’equivalente di proteine chinasi indotta da attività ferimento è stato individuati nel tabacco sia biochimicamente che attraverso la clonazione di un cDNA rappresentante un omologo MAPK cui si accumula mRNA in risposta al ferimento

» Una simile attività di MAPK, entro pochi minuti dal ferimento, è stata rilevata in Arabidopsis, pomodoro e erba medica

» La rapida attivazione di MAPK avviene anche nelle foglie sistemiche di piante di tabacco e pomodoro ferite

» La MAPK indotta da ferita attiva la fosfolipasi A2 che rilascia dalla membrana plasmatica l’acido linolenico substrato per la biosintesi di JA

• Green leaf volatiles (GLVs)– Composti a 6 atomi di carbonio prodotti via lipoxigenasi dai lipidi

della membrana cellulare– Chimicamente sono per lo più aldeidi sature o monoinsature, alcoli

e esteri, tutti quanti con differenti isomeri che manifestano proprietà sensorie diverse

– I GLVs possono rappresentare più del 50% delle emissioni dalle parti di pianta danneggiate

– I GLVs sono rilasciati dalle parti di pianta danneggiate entro 1-2’’ dal danno meccanico

– Alcuni GLVs sono emessi da foglie più giovani di piante non danneggiate

• Come (Z)-3-exenil acetato che sta ad indicare che la via lipoxigenasi è stata attivata

– Molti GLVs non sono specie specifici• Alcuni di questi composti possono

– Indurre la produzione di acido jasmonico– Determinare l’emissione di mono- e sesquiterpeni in piante

riceventi intatte– Determinare il comportamento di risposta nei parassitoidi

I composti organici volatili (VOCs)– Sono emessi dalle piante nell’atmosfera a seguito della loro

volatilità senza un’apparente funzione– Alcuni di questi VOCs sono diventati, a seguito di selezione

naturale, segnali per • Protezione delle piante • Comunicazione

I volatili organici delle piante indotti da erbivori (HIPV) o composti organici volatili inducibili (IVOCs)

– Sono emessi dalle piante dopo il danno da erbivoro– Sono sintetizzati de novo solo quando necessario quindi

• Sono economici in termini di uso del carbonio • Non riducono il benessere della pianta

– Questi nuovi composti agiscono come una difesa indiretta• Respingendo gli erbivori conspecifici• Attirando predatori e parassitoidi degli erbivori

• Composti organici volatili delle piante conosciuti indotti da erbivori (HIPV)– Sono ampiamente diversificati e includono

• Alcheni, alcani acidi carbossilici e alcoli – I composti dominanti sono i terpeni e C6 del GLVs

– Sono suddivisibili in due classi• Composti rilasciati immediatamente (0-5’) dalle foglie

danneggiate meccanicamente (GLVs)• Composti nuovi (molti terpeni) sintetizzati dopo il danno e

rilasciati alcune ore dopo che il danno ha avuto luogo– Nelle piante di cavolo dove le piante sane emettono un VOC

costituito quasi al 100% di monoterpeni, una volta danneggiate da erbivori la quantità di monoterpeni aumenta ma la percentuale sul totale scende sotto il 60% perché è indotta la sintesi di nuovi composti come omoterpeni e sesquiterpeni

Le strade biosintetiche conducenti al rilascio da parte delle piante di composti chimici volatili

• L’indolo conduce alla famiglia dei nitrogeni contenente prodotti difensivi (es. 2,4-deidrossi-7-metossi-1,4-benzoxazin-3-one)

• I sesquiterpeni sono sintetizzati via l’intermediato isopentenil pirofosfato (IPP) seguendo la via mevalonato • I monoterpeni e i diterpeni sono sintetizzati in una via IPP alternativa con precursori la gliceraldeide-3-P e il piruvato• Gli omoterpeni (E)-4,8-dimetil-1,3,4-nonatriene e (E;E)-4,8,12-trimetil-1,3,7,11-tridecatetraene sono derivati

rispettivamente da farnesil- e geranil-pirofosfato• Green leaf volatiles è derivato dall’acido linolenico via acido 13-idroperossilinolenico. L’acido linolenico ossidato si può

dividere a formare due frammenti di 12 e 6 atomi di carbonio da cui prendono origine le varietà diGreen leaf volatiles per multipli riarrangiamenti di six-carbon (Z)-3-hexenal

I Segnali indotti da ferita che la via JA per la difesa della piantaSegnali derivati da insetti (FACs), piante e tutti gli altri induttori prodotti in risposta al ferimento che regola la sinstesi di JA o gli eventi regolati da JA in senso positvo (+) o negativo (-) (frecce spesse)Dipedendo dalle specie di piante alcuni segnali (es. etilene) possono esercitare effetti opposti (+/-) sulla via JALe frecce sottili indicano che JA può modulare la produzione o l’azione di vari segnali da feritaTutti i segnali conosciuti mediati da JA richiedono COI1 (Coronatine Intensive 1)ABA (acido absisico); NO (ossido nitrico); FACs (amminoacidi coniugati derivati dal grasso degli insetti); OGAs (oligogalatturonici),

Esplosione di JA

•Elicitori della espressione dei geni della difesa

– Sistemina– Etilene– Acido abscisico– Acido jasmonico e derivati (jasmonati)– Acido salicilico e derivati– Acidi oligalatturonici

• Sistemina – 18-aminoacido polipeptide– E’ una proteina critica nella produzione sistematica di

• Proteine difensive [proteinasi (PIs) e polifenolossidasi (PPO)] nel pomodoro e in altre piante

– E’ originata per scissione proteolitica di un precursore polipeptide • La prosistemina, un polipeptide di 200 amminoacidi residui, è presente,

a bassi livelli, nei tessuti fogliari• Sulla ferita il citoplasma è esposto a proteinasi e l’attivazione della

prosistemina può avvenire per mescolamento – Con altri contenuti di altri compartimenti cellulari (es. vacuoli)– Con la saliva dell’insetto

– La sistemina attiva sia• La sintesi del precursore polipeptide• La sintesi dell’enzima richiesto per realizzarla

– La sistemina• E’ il segnale sistemico primario entro la pianta

– La sistemina• Localmente entro le cellule stimola la produzione dell’acido jasmonico in

seguito alla sua interazione con il proprio recettore, un proteina Mr 160,000, che attiva un sistema a cascata basato su lipidi

Ormone rilasciato da foglia ferita

erbivoro

sistemina

Trasportatata attraverso il floema in cellule bersaglio di altri organi

recettoreMembranaplasmatica

lipasi

Esterno della

cellula

citoplasma

Biosintesi dell’acido jasmonico

Acido linolenico libero

Acido jasmonico

Sentiero segnalante

Attivazione dei geni inibitori di proteasi

Lipidi della membrana

Mitogen-activated protein (MAP) kinaseMitogen-activated protein (MAP) kinase

Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADPH)-oxidase(NADPH)-oxidase

Pathway neccesary for local and systemyc Pathway neccesary for local and systemyc proteinase inhibitorl (PI) and polyphenol proteinase inhibitorl (PI) and polyphenol oxidase (PPO) in the wounding response in oxidase (PPO) in the wounding response in tomatotomato

• Etilene– Ormone delle piante prodotto in risposta a stress– L’etilene indotta da ferite è prodotta come il risultato della attivazione di due

enzimi dedicati alla sua biosintesi• 1-aminociclopropano-1-carbosilato sintetasi (ACS)• 1-aminociclopropano-1-carbosilato ossidasi(ACO)

– I geni codificanti specifiche isoforme di questi enzimi sono anch’essi indotti da ferita

– I geni codificanti isoforme basiche di PR proteine sono indotti da ferita– L’etilene sembra essere quello di coordinare l'espressione genica insieme a

JA• Nel pomodoro

– L’espressione del gene Pin mediata da JA è dipendente da etilene– La biosintesi di JA è regolata dall’etilene

• Nel tabacco– I livelli elevati di etilene da ferita indotta dalla alimentazione delle

larve di Manduca sexta sopprimono la biosintesi della nicotina indotta da JA, coinvolta nella difesa dall’insetto, silenziando il gene dell’enzima putrescina N-metil transferasi

– Questa repressione è un meccanismo di difesa della pianta che rende larve di M. sexta più suscettibili ai parassititoidi che sono allontanati dalla nicotina che le larve tolleranti accumulano nel loro corpo

– Questo mette chiaramente in evidenza la co-evoluzione della interazione

• Acido abscisico (ABA)– Media la risposta delle piante allo stress idrico regolando

• La chiusura degli stomi • L’espressione del gene che induce la disidratazione

– Media la risposta alle ferite• Il livello di ABA è la conseguente al ferimento

– Aumenta significativamente solo nei tessuti attorno alle ferite

– ABA è necessario più per il mantenimento di un normale stato fisiologico più tosto che una molecola segnalate ferite

– ABA media, probabilmente, la induzione dei geni responsabili della disidratazione che succede localmente seguendo il ferimento

• La disidratazione in Arabidopsis ha un ampio ruolo nel controllo della induzione del gene della ferita

• Il profilo della espressione dei geni indotti da ferita, in Arabidopsis, sono più simili a quelli indotti da disidratazione che per attività alimentare degli insetti

• Jasmonati– Ormoni vegetali derivati dal ciclopentanone

• Fanno parte della famiglia degli oxylipins o acidi grassi ossigenati che contengono una o più atomi di ossigeno oltre a quelli dei gruppi carbossilici

• Derivano dalla ossigenazione enzimatica del carbonio 18 e 16 di acidi grassi trinsaturi

– I prodotti meglio conosciuti che ne fanno parte sono• Acido jasmonico (JA) • Metil jasmonato (MeJA)• Jasmonoil-isoleucina (JA-lle)• Acido Oxo-fitodienoic (OPDA) e il suo 16 carbonio omologo

dinor-OPDA– I prodotti biologicamente attivi

• 1. (+)-7iso-jasmonoil-L-isoleucina (JA-lle) questo e il ligando che mostra di giocare il ruolo maggiore nel jasmonate segnalante nelle foglie e forse nei fiori di Arabidopsis

• 2. Jasmonoil-L-tryptophano un’auxina segnalante inibitrice attiva delle radici di Arabidopsis

• 3. OPDA e dinor-OPDA aventi proprietà segnalanti indipendenti da quelle coinvolte nella percezione di JA e derivati come JA-Ile

• Sintesi degli jasmonati – Da cloroplasti e enzimi dei perossisomi (organelli delle cellule eucariote)

• L’acido α-linolenico, derivante da glicolipidi delle membrane è convertito in acido 13(S)-idroperossilinolenico dall’enzima 13-lipossigenasi

• L’acido 13(S)-idroperossilinolenico è trasformato dalla sintetasi dell’ossido allene nell’acido 12,13-epossioctadecatrienoico

• L’acido 12,13-epossioctadecatrienoico è trasformato dalla ciclasi dell’ossido allene nell’acido (9S,13S)-12-ossi-cis-10,15-fitodienoico (OPDA) che rappresenta l’esclusivo (>99%) isomero rilevato nelle piante ferite lo stesso enzima agisce su 16:3 a formare dinor-OPDA

• L’acido (9S,13S)-12-ossi-cis-10,15-fitodienoico (OPDA) dall’OPDA reduttasi è ridotto ad acido 3-ossi-2-(cis-2’-pentenil) ciclopentane-1-octanoico (OPC-8:0)

• L’acido 3-ossi-2-(cis-2’-pentenil) ciclopentane-1-octanoico (OPC-8:0) è convertito da tre ciclasi di β-ossidazione in acido (3R,7S) jasmonico

– Una consistente evidenza sottolinea che• La sintesi di OPDA avviene nei cloroplasti (plastidi)• La produzione finale di JA nei Perossisomi gli unici luoghi conosciuti

della β-ossidazione nelle piante

Prodotti intermedi nella conversione metabolica dell’acido linolenico a acido jasmonico e una serie di hexenil o green-leaf volatile catalizzate dagli enzimi iperossidasi liasi (HPLS), fattore di isomerizzazione (IF) e alcol deidrogenasi (ADH)

• I tempi cruciali per la sintesi di JA e l’azione dopo la ferita– Primo incremento significativo di JA : a meno di 30 sec dopo la

ferita– Tasso di sintesi di JA in foglie ferite: La quantità duplica ogni 20

sec nel primo minuto dopo la ferita– Primo chiaro incremento di JA nelle foglie lontane dalla ferita: 2

min dopo il ferimento– Primo significante incremento di JA-lle nella foglia ferita: 5 min

dopo il ferimento– Prima apparenza delle trascrizioni regolate da jasmonato nelle

foglie ferite: 5 min per JAZ1 (jasmonato-ZIM-DOMAIN PROTEINE1) e 15-30 sec per JAZ7 e MYC2

– Prima apparenza delle trascrizioni regolate da jasmonato in foglie distanti dalla foglia ferita:15 min per JAZ7

– Prima apparenza dei prodotti liberati da JA: 11- and 12 idrossijasmonato e 12-carbossi-Ja-lle: approssimativamente 45 min dopo il ferimento

• La distanza dalle ferite a cui arriva il segnale che fa scattare la sintesi di JA– La natura del segnale sistemico che conduce alla sintesi di JA e JA-

Ile nei tessuti distanti dalle ferite non è chiaro– Questo principalmente implica segnali peptidici che precocemente

stimolano la risposta dello jasmonate– Il segnale può essere propagato lontano dal flusso ionico

• Questo è stimato si muova ad una media che varia da 3,4 a 4,5 cm/min attraverso la pianta a stimolare l’accumulazione di JA nelle foglie distanti

• Il meccanismo di azione de jasmonato– La catena di trasduzione del segnale di base da ferite e erbivori induce l’espressione

di geni difensivi è composta di relativi pochi legami• In foglie sane non daneggiate

– I bassi livelli di JA-Ile permette a JAZs (Jasmonate ZIM-domain) di accumularsi e di reprimere i geni bersaglio di JA per le interazione delle proteine JAZ con i fattori di trascrizione, come MYC2, che promuove i geni che rispondono allo jasmonato

• In tessuti danneggiati – La rapida accumulazione di JA-Ile farebbe scattare la degradazione delle

proteine JAZ ad opera di SCFCOI1 ubiquitin ligase e da 26S proteasome [Legame delle proteine JAZ alla proteina F-box Coronatine insensitivie1 (COI1) e loro degradazione attraverso la via ubiquitinatione/26S-protease (ubiquitinazione è una modificazione post-traduzionali effettuata da un insieme di tre enzimi, E1, E2 e E3.)] - con la conseguentemente derepressione dei geni di difesa

• La rapida risintesi di JAZ repressori limita l'espressione energicamente impegnativa e cellularmente dannosi per il processo difensivo quando il livello di jasmonato declina, per esempio quando l’insetto cessa di mangiare

– Un tale meccanismo di feedback negativo di controllo suggerisce che le espressioni delle difese basate sullo jasmonato possono essere viste più come un continuo che come uno stato discreto indotto e non indotto

• La combinazione di feedback negativi e positivi consente alla pianta di montare l'impianto di una risposta di difesa commensurata con l’intensità e la durata dell’attacco

• Nelle piante le espressioni inducibili dal gene difensivo sono basate, più comunemente, sul togliere la soppressione invece che su un diretto meccanismo positivo di induzione

a. Basso livello intracellulare di jasmonoyl-leucina (JA-Ile) (stelle rosse) favorisce l’accumulazione dello jasmonato ZIM-domain (JAZ) proteine che si lega e reprime l’attività dei fattori di trascrizione (TF) come MYC2 che positivamente regola i primi geni di risposta a JA.b. In un tessuto danneggiato da un insetto ”masticatore” si ha un rapido accumulo di JA-IIe questo promuove SCFcoI1- mediated ubiquitination (enzima) (circoli neri) e susseguente degradazione della proteine JAZ via 26S proteasoma che porta alla derepressione dei fattori di trascrizione e nella espressione dei geni di risposta precoce

Lo JAZ modello repressore del segnale jasmonate

• Specificità delle difese basate sullo jasmonato– Gruppi di insetti erbivori che usano uno dei vari tipi di comportamento

alimentare (es. masticatore, pungente succiatore) per ottenere nutrienti dal tessuto della pianta ospite tendono ad elicitare distinti modelli di espressione del gene

– Gruppi di insetti erbivori che usano lo stesso comportamento alimentare evocano risposte molto simili

• Poiché la maggior parte degli insetti tradiscono la loro presenza innescando la sintesi di jasmonato nei tessuti danneggiati questo segnalatore di difesa può essere evoluto come una relativamente non specifica strategia per dissuadere una grande varietà di erbivori

– Fattori derivati da insetti non sono strettamente richiesti per la sintesi di jasmonate e di molte difese associate dovute a evidenti danni meccanici al tessuto vegetale e spunti di sviluppo

– Le difese regolate da jasmonati possono essere regolate da altri fitormoni• Es. l’azione contrastante dell’acido salicilico a contrastare la difesa

indotta in risposta ai lepidotteri– La specificità della difesa indotta da erbivori può essere influenzata da

interazione tra vari bioattivi jasmonati ad • Es. specifici membri della famiglia delle proteine JAZ possono

controllare distinte serie di geni che rispondono a erbivori – In differenti cellule – In risposta a differenti ligandi

Regolazione delle difese basate su jasmonate in risposta a erbivoriI segnali indotti da erbivori (frecce rosse) attivano la produzione di jasmonati bioattivi come lo jasmonoyl-isoleucine (JA-Ile)Lo JA-IIe promuove, mediata da SCFcoI1, la degradazione le proteine repressori jasmonato ZIM-domain (JAZ), che porta a una derepressione di regolatori trascrizionali che controllano direttamente e indirettamente i tratti difensivi.La via di segnalazione jasmonato regola anche le risposte della pianta alle chiavi dello sviluppo e ad altre condizioni di stress

mitogeno-attivate proteina chinasi (MAPK)Metil jasmonato (MeJA)

• La via jasmonate ha un ruolo centrale nel regolare le risposte difensive agli erbivori

• Nel regolare il cambiamento globale nella espressione dei geni in risposta al ferimento meccanico e agli erbivori

• Nella regolazione della interazione tritrofica• Nella resistenza della pianta ospite ai fitomizi• Nella difesa basata sui tricomi• Nel innesca difese dirette e indirette• Nel promuove trasmissione di segnali di difesa

– Lo jasmonate regola anche alcuni aspetti dello sviluppo delle piante

• Promuove i processi riproduttivi• Inibisce la crescita• Inibisce la produzione fotosintetica di tessuti vegetativi

– Queste attività giustapposte propone agli jamonati un ruolo nella gestione “del dilemma della pianta verso cresco o difendo“ in rapido cambiamento e ambienti ostili

(Abscisic acid)(Abscisic acid)

Overview of the plant Overview of the plant wounding response and wounding response and signaling molecules which signaling molecules which can modulate itcan modulate it

La freccia nera La freccia nera indica un “portatore a” indica un “portatore a” relazioni, sia localmente che relazioni, sia localmente che in risposta a segnali in risposta a segnali trasmessitrasmessi

La freccia blu scuraLa freccia blu scura indica i segnali sistematici indica i segnali sistematici entro la piantaentro la pianta

La freccia blu La freccia blu chiarachiara indica i segnali trasmessi dai indica i segnali trasmessi dai composti volatilicomposti volatili

La freccia verde tratteggiataLa freccia verde tratteggiata indica la modulazione indica la modulazione positiva del processopositiva del processo

La freccia rossa tratteggiataLa freccia rossa tratteggiata indica la modulazione indica la modulazione negativa del processonegativa del processo

La freccia da “acido iasmonico” a La freccia da “acido iasmonico” a “volatile” “volatile”

indica che la biosintesi indica che la biosintesi dell’acido iasmonico dell’acido iasmonico conduce anche alla conduce anche alla produzione produzione green leafs green leafs volatilesvolatiles, e che l’acido , e che l’acido iasmonico stimola la sintesi iasmonico stimola la sintesi di altri composti chimici di altri composti chimici volatili come i terpenoidivolatili come i terpenoidi

Modello di segnalazioni da ferita nel pomodoro basati su studi genetici

I segnali da ferita inducenti sistemina, OGAs e composti non identificati attivano la via ottodecanoide per la biosintesi di JA in risposta alla ferita meccanica o da erbivoriLa produzione di JA media l’attivazione locale e sistemica di geni precoci e tardivi (frecce continue)Le mutazioni che bloccano i vari scalini della via delle segnalazione da ferita sono indicate con una barra grigiaEsperimenti con innesti condotti con mutanti supportano l’ipotesi che JA o suoi derivati funzionano come un segnale sistemicoLa ferita attiva anche vie segnalanti indipendenti da JA (frecce tratteggiate) che regolano geni precoci così come altri geni la cui espressione è completamente indipendente da JA e sistemina

•Acido salicilico – Quasi tutte le piante producono composti collegati all’aspirina a bassi livelli

attraverso attraverso una strada biosintetica la via dell’acido salicilico (SA)– L’interconversione da una serie di composti correlati da origine a composti

alcuni dei quali hanno una attività ormonale che assiste la produzione di fitoalessine (sostanze fungitossiche)

– L’acido salicilico come ormone segnalatore è coinvolto• Nella induzione dei geni della resistenza delle piante ai patogeni (PR)• Nello stabilire l’immunità a lungo termine attraverso la via della resistenza

sistemica acquisita (SAR)• Nella determinazione della resistenza delle piante parassite e agli insetti

– La risposta difensiva delle piante ai patogeni è una risposta ipersensitiva (HR) all’infezione che uccide rapidamente le cellule ospiti dell’area inizialmente infettata

– L’induzione di PR e susseguente SAR sono anche efficaci contro gli insetti erbivori fitomizi che non causano estesi danni cellulari

• Gli insetti che si nutrono del floema (es. afidi) e insetti che si nutrono dei contenenti delle cellule (es. tripidi) elicitano difese simili ai patogeni incrementando il livello delle espressione dei geni PR

infestazione di una infestazione di una fogliafoglia

sintesi e rilascio disintesi e rilascio didel metilsalicilato volatiledel metilsalicilato volatile

accumulazione di accumulazione di acido salicilicoacido salicilico

Trasmissione del segnaleTrasmissione del segnale a altre parti della pianta a altre parti della pianta

via sistema vascolarevia sistema vascolare

Trasmissione del segnale Trasmissione del segnale per via aereaper via aerea

• Interrelazione tra le vie JA e SA– L’effetto della interferenza JA/SA sono il ruolo antagonista che ciascuno

ormone gioca nella regolazione dell’altro• Il ruolo di SA e della sua forma acetilata, aspirina, nella risposta alle

ferite nelle piante di pomodoro e nel tabacco sono efficaci nel sopprimere la risposta JA alla ferita

• L’antagonismo tra JA/SA si verifica anche nel rapporto pianta/insetto come l’applicazione di SA inibisce le difese mediate da JA e viceversa

– Nella interferenza tra JA/SA l’effetto è dipendente dalla dose• L’antagonismo tra SA-JA è stato studiato con applicazioni di SA superiori

a 0,5 mM, mentre livelli più bassi di JA (0,1 mM) non inducono effetti sulla espressione del gene o un effetto sinergico

– Es. in Arabidopsis l’espressione di PLANT DEFESIN1,2 indotta da JA può essere aumentata con iniezione apoplastica di SA ad una concentrazione superiore a 350 μM e diminuita con concentrazioni superiori

– L’abilità a modulare le risposte di difesa basate sul piccolo cambiamento su livelli di JA o SA può anche permettere alla pianta di rispondere agli attacchi dinamicamente allocando le risorse più efficacemente

– Nella interferenza tra JA/SA è importante la sequenza della induzione ormonale

• Es. La cinetica della soppressione mediata da SA della risposta mediata da JA in Arabidopsis ha mostrato questo si verifica solamente se SA è stato applicato a meno di 30 ore dall’inizio della risposta di JA con un tempo superiore l’attività repressiva di SA è assente

• Acidi oligogalatturonici (OGAs)– Glicani delle pareti celluari– Conduce alla sintesi di una proteinasi inibitrice nelle foglie del

pomodoro; oligomeri di β-1,4 linked glucosamide (chitosan) – E’ il risultato dell’idrolisi degli acidi poligalatturonici della componente

pectica delle pareti delle cellule delle piante • L’idrolisi è catalizzata da una poligalatturonasi endogena della

pianta codificata da un gene la cui espressione è attivata da una ferita

– Il segnale di attivazione appare essere l’acido jasmonico– La poligalatturonasi è indotta dal prodotto della propria

azione: l’acido oligatturonico– Gli oligosaccaridi non sono mobili entro la pianta, e così possono

agire vicino al loro luogo di produzione • Differenziato nel fascio vascolare e in cellule adiacenti al tessuto

vascolare

Le resistenze delle piante all’erbivoro

Acido linolenico →Acido jasmonicoProteinase inhibitorl (PI) and polyphenoloxidase (PPO) Proteinase inhibitorl (PI) and polyphenoloxidase (PPO) Monoterpene: linalool, Sesquiterpene: farnesene

Resistenza diretta

Le categorie funzionali della resistenza diretta delle piante agli

insettidefinite da Painter (1951)

• Antixenosi – Quando la pianta agisce come un ospite

scadente che induce alla scelta di un ospite alternativo

• Antibiosi – Quando la biologia dell’insetto è influenzata

negativamente• Tolleranza

– Carattere genetico della pianta che le offre l’abilità a resistere o a compensare il danno

Antixenosi e Antibiosi spesso si sovrappongono ed è difficile delimitare le due manifestazioni

– Ad esempio se un insetto test è confinato su di una pianta resistente e non guadagna peso come quando si sviluppa su una pianta sensibile• Questo potrebbe essere conseguente

– A fattori fagodeterrenti (antixenosi) che possono iniziare il comportamento aberrante dell’insetto test che risulta indebolito fisiologicamente

– Alle proprietà antibiotiche della pianta (antibiosi)

AntixenosiDescrive l’inabilità di una pianta ad essere ospite (xeno) di un insetto

erbivoroCoinvolge fattori comportamentali che

causano nell’insetto una non scelta della pianta per nutrirsene o per

ovideporre

• Antixenosi resistance – Fu proposto da Kogan e Ortman nel 1978 per

descrivere la reazione di non preferenza degli insetti verso una pianta resistente

• Non-preferance resistance (cioè densità inversa dell’erbivoro sulla pianta)– E’ il gruppo di caratteri della pianta che la porta

ad essere meno danneggiata da un erbivoro rispetto ad un’altra mancante di questi caratteri

• La risposta sfavorevolmente dell’insetto a tali caratteri denota la presenza di fattori fisici e chimici della pianta che ne alterano il comportamento conducendolo alla selezione di un ospite alternativo

Strutture morfologiche

Empoasca fabae Tricomi ghiandolari Myzus persicae

Otiorhynchus sulcatus Pubescenza Amphrophora rubi

Byturus tomentosus Phaedo cocheariae Locusta migratorioides

Tricomi– Tricomi eretti densamente distribuiti sulle foglie di cultivar

di soia e di erba medica dissuadono Empoasca fabae ad alimentarsi

– Tricomi ghiandolari sulla patata selvatica (Solanum neocardenasii) hanno un effetto negativo sul comportamento alimentare di Myzus persicae

– Tricomi sulla pagina inferiore delle foglie di una cultivar fragola sono responsabili della resistenza a Otiorhynchus sulcatus

– La pubescenza della cultivar di grano”Vel” impediscono la normale ovideposizione e mobilità delle larve di Mayetiola destructor

– La pubescenza nella soia separa le uova dalla superficie della foglia aumentandone la mortalità per disseccamento

Superficie cerate• Le cere sono esteri formati da un acido grasso e un alcool alifatico

– La copertura cerosa delle foglie ha un ruolo importante nella resistenza di alcune cultivar trasmettendo stimoli tattili e chimici negativi agli insetti fitofagi

• Le piante di Rubus phoenicolasius hanno una produzione cerosa che crea una barriera contro l’attacco di Byturus tomentosus e Amphrophora rubi

– Una efflorescenza di cera sulle foglie dei brocoletti interferiscono con l’adesione delle setole tarsali di Phaedo cocheariae alla superficie delle foglie

– Lo strato ceroso sulle foglie di giovani piante di Sorghum e Brassica dissuade l’alimentazione di Locusta migratorioides

– La superficie cerosa delle foglie può contenere allelochimici interferenti sul comportamento degli insetti

• Frazioni di idrocarburi e carbonili della cera di cultivar di riso resistenti a Nilaparvata lugens alterano il comportamento alimentare dell’insetto inducendone lo spostamento dal luogo preferito di alimentazione

Spessore del tessuto• La durezza delle foglie di alcune crucifere

– Influenza negativamente il comportamento alimentare di Phaedon cochleariae

• Strati spessi di epidermide fogliare e di cellule parenchimatiche di cultivar di canna da zucchero

– Dissuadono ad alimentarsi Scirpophaga nivella • Uno strato corticale spesso protegge il fusto di Lycopersicon hirsutum

– Dall’attacco di Macrosiphum euphorbiae• La compattezza della protezione attorno alle cariossidi di cultivar di riso

– Determina una protezione contro Sitotrogella cerealella e Sitophilus oryzae

• Spighe di mais con cartoccio fortemente stretto – Sono resistenti alla penetrazione di Sitophilus zeamais

• Lo strato di fitomelanina nel pericarpo dei semi di girasole – E’ responsabile della resistenza di alcune cultivar alla penetrazione

di Homoeosoma electellum

Scirpophaga nivella Macrosiphum euphorbiae Sitotrogella cerealella

Sitophilus oryzae

Sitophilus zeamais

Sitona lineatus

Acromyrmex octospinosis

Ostrinia nubilalis

Spodoptera eridania

Repellenti

Interferiscono sull’orientamento olfattivo di un insetto •Nei vapori di resina di abeti alcuni monoterpeni sono repellenti verso

– Scolytus ventralis – Hylurgops palliatus– Hylastes ater

•I composti volatili con oli esenziali in cultivar di riso resistenti agli insetti impediscono alimentazione di

– Nephottetix virescens – Nephotterix nigropictus– Sogatella furcifera

Deterrenti

Melanopus sanguinipes Homoeosoma electellum Pectinophora gossypiella

Spodoptera frugiperda Heliothis zea Chilo supressalis

Heliothis virescens Helicoverpa armigera Nilaparvata lugens

Scolytus ventralis Hylurgops palliatus Hylastes ater

Alcaloidi I Glicoalcaloidi fogliari in specie di patate selvatiche hanno un’azione deterrente verso Empoasca fabae Alti livelli di acido clorogenico in certe specie di Salix dissuade dall’alimentarsi delle foglie Lachmae capreae cribrataAlti livelli di alcaloidi in piante di lupino hanno un azione fagodeterrente verso Sitona lineatus

Terpeni • Le saponine

– Consistenti di triterpeni o di uno steroide legato a una parte dello zucchero agiscono in alcune specie di patata dolce come deterrenti verso Acromyrmex octospinosis

• Un aglucone – Nel fogliame del mais il DIMBOA (2,4-dihydroxy-7-

methoxy-2H-1,4-benzoxazin-3(4H)-one) influenza la resistenza all’erbivoro

• Nelle piante danneggiate meccanicamente il glucoside 2-O-glucosyl-4-idroxi-1,4-benzoxazin-3-one è convertito enzimaticamente in DIMBOA che insieme al 2,-4-dihydroxy-1, 4-benoxazin-3-one (DIBOA) dissuadono Ostrinia nubilalis ad alimentarsi sul mais

Rhopalosiphum padiKeiferia lycopersicalla

Spodoptera exigua

Metopolophium dirhodum Rhopalosiphum maidis Penphigus bursarius

Homoeosoma electellum Costelytra zealandica Callosobruchus maculatus

Terpeni lattoni • Il sesquiterpene lattone (8,β-sarracinoyloxycumambranolide)

sul girasole (Helianthus maxmiliani) resistente agli insetti – Dissuade dall’attività alimentare

• Spodoptera eridania, Melanopus sanguinipes e Homoeosoma electellum

• Alti livelli di sesquiterpene lattone germacrone in specie di rododendri resistenti agli insetti

– Dissuadono l’attività alimentare di Scipithes obscurus• I norditerpeni lattoni nelle foglie di una conifera (Podocarpus

gracilor) resistente agli insetti – Dissuadono l’attività alimentare di

• Pectinophora gossypiella, Spodoptera frugiperda, Heliothis zea

Fenoli • I composti fenolici come p-idrossibenzaldeide e dhurrin

(Cyanogenic glycoside che nello stomaco dell’insetto si scinde in carboidrato e aglicone che produce acido cianidrico) in cultivar di sorgo resistenti agiscono come deterrenti verso Schizaphis graminum

– La resistenza è dovuta a• Una riduzione nei livelli dello stimolatore alimentare

arabinogalactan, che inibisce l’alimentazione dell’afide– Una pectina idrolizzata dalla polisaccarasi di S. graminum durante

il sondaggio e l’alimentazione• Una quantità molto più grande di pectina fructan (un

polisaccaride ad elevato peso molecolare) che inibisce l’alimentazione dell’afide

• Una quantità doppia di metossi pectina doppia rispetto a cultivar suscettibili

• Gli acidi fenolici hanno un ruolo nella resistenza delle piante di grano verso S. graminum e di riso verso Chilo supressalis

Flavonoidi – La crisantemina (cianamidin-3, β- glucoside) in cultivar di

cotone a fiori rossi dissuade dall’alimentarsi Heliothis virescens

– La rutina (quercitin-3-O-ramnosil (1→6) glucoside) condiziona gli insetti in fuzione della concentrazioni e dell’età dell’insetto

– E’ fagodeterrente in quantità superiori a 10‾³ M verso le larve di Heliothis zea e Helicoverpa armigera

– E’ fagodeterrente per la seconda età larvale di Heliothis zea

– L’ Aspergin-C-glicoside come lo schafoside – In quantità elevate nei culmi delle piante di riso

modificano il comportamento alimentare di Nilaparvata lugens causando perdita di peso

continua

– La procianidina (tannino condensato) • Nelle cultivar di cotone resistenti

– Dissuade dall’alimentarsi » Heliothis zea, Heliothis virescens e

Pectinophora gossypiella• Nelle foglie del tulipano e del pioppo tremulo

– Dissuade dall’alimentarsi e sopprime la crescita larvale

» Delle larve di Spodoptera eridania

Principali classi di flavonoidi: esempio, il loro colore e la presenza nei tessuti delle piante.

Classe Esempio Colore Tessuto della pianta

Antocianine cianidina scarlato, rosso, malva

petali, foglie, frutti

Leucoantocianine tannini condensati più colori foglie, legno

Flanonoli, Flavoni quercitina, rutina più colori foglie, steli

Calconi, Auroni buteina, florizdina giallo fiori

Flavononi naringina più colori foglie, frutti

Isoflavoni rotenone più colori foglie, frutti, radici

Mancata percezione di allelochimici volatili attrattivi

• La decrescente produzione di composti chimici volatili radicali da parte di piante di carota – Ha un ruolo nello “sfuggire” della pianta a

Psilia rosae• La decrescente produzione di diterpeni in piante

di tabacco– Introduce anche una resistenza indiretta

legata allo “sfuggire” della pianta a Myzus persicae e Heliothis virescens

AntibiosiDescrive gli effetti negativi di una pianta

resistente sulla biologia di un insetto che tenta di usarla come ospite

Le difese chimiche e morfologiche mediante effetti di antibiosi e antibiotiche variano da letali a blande –Gli effetti letali sono

• Acuti ► spesso incidono su giovani larve e uova• Cronici ► conducono a morte

–Larve mature (mancato impupamento)–Prepupe–Pupe (mancato sfarfallamento)–Adulti

–Gli effetti debilitanti o blande sono • Riduzione delle dimensioni e del peso del corpo• Prolungamento del periodo di sviluppo degli stati

preimmaginali• Ridotta sopravvivenza e fecondità degli adulti

L’antibiosi può manifestarsi in seguito

• Alla presenza di allomoni (utili solo alla specie che li emette) nella pianta

• Alla mancanza di cairomoni (utili solo alla specie che li riceve) nella pianta

Le difese chimiche

AllelochimiciTossine• Alcaloidi

– Il Glicoalcaloide delle piante del genere Solanum resistenti a Empoasca fabae

– I Glicoalcaloidi leptini in S. chalcoence sono tossici verso Leptinotarsa decemlineata

– L’alcaloide α-tomatina • Nel pomodoro selvatico (Lycopersicon hirsutum f. glabrum) è

da 3 a 4 volte più abbondante rispetto a cultivar suscettibili a Heliothis zea

– I fenoli rutini e l’acido cloragenico che si trovano ad alti livelli nella cima dei tricomi delle foglie di L. hirsutum f. glabrum si comportano come l’ α-tomatina

• La mancata correlazione tra il contenuto totale di fenolo nel pomodoro e la sua resistenza alle larve di Heliothis zea è dovuto ad una interazione tra i fenoli e le proteine della dieta

continua

– L’alcaloide Gramine indolo [3-(N,N-Dimetilaminometil) indolo] è una tossina responsabile della resistenza dell’orzo coltivato verso

– Schizaphis graminum e Rhopalosiphum padi per effetti sia acuti che cronici

– Il Metilchetone 2-tridecanone e 2-undecanone, prodotti sulla cima di tricomi fogliari entro vacuoli, hanno un ruolo chiave nella difesa della patata selvatica (Lycopersicon hirsutum f. glabrum) dalla aggressione di insetti defogliatori

• Metilchetone 2-tridecanone, prodotto in maggiore quantità da cultivar resistenti, è tossico verso

– Keiferia lycopersicalla, Spodoptera exigua • Metilchetone 2-tridecanone è parzialmente responsabile della

resistenza verso – Leptinotarsa decemlineata

• Metilchetone 2-undecanone inibisce l’impupamento di – Keiferia lycopersicella

• Metilchetone 2-undecanone è tossici verso – Spodoptora exigua

• Acidi organici– L’acido ciclico idrossamico DIMBOA prodotto per

deconposizione di 6-MBOA nelle foglie di mais ha un effetto antibiotico su

• Ostrinia nubilalis, Metopolophium dirhodum e Rhopalosiphum maidis

– L’acido cloragenico nelle cultivar di carote resistenti a Psila rosae

• E’ strettamente correlato al livello dello sviluppo delle popolazioni dell’insetto

– L’acido isocloragenico nelle cultivar di lattuga conferisce una differente resistenza verso

• Penphigus bursarius in correlazione alla sua concentrazione

• Terpeni– Alcuni diterpeni e sesquiterpeni lattoni nelle

foglie di specie di Helianthus causano sintomi antibiotici • Nelle larve Homoeosoma electellum

– Le saponine prodotte metabolicamente da terpenoidi sono tossiche • Verso le larve Costelytra zealandica che in

Nuova Zelandia si nutrono di medica e trifoglio

• Proteine– Le tripsine e le chemotripsine sono contenute in

maggiori quantità in cultivar di Vigna unguiculata resistenti a

• Callosobruchus maculatus

L’attività degli allelochimici – Nelle cultivar resistenti è connessa alla attività

enzimatica dei tessuti• La Fenilalanina ammonio-liasi il primo enzima nella via metabolica del fenilpropanoide, è attiva a più alti livelli durante l’attività dell’erbivoro su cultivar a loro resistenti che comprendono

»cultivar di soia resistenti a Epilachna varivestis

»Cultivar di grano resistenti ad un complesso di afidi

– Gli alleochimici delle piante resistenti agli insetti inducono effetti simili agli enzimi detossificanti • Il cumestrol isoflavone, presente in cultivar di soia resistenti alla defogliazione, determina in larve di Pseudoplusia includens

–Un tasso minore di idrolisi del piretroide fenvalerate, rispetto al controllo

–Un aumento di tossicità del fenvalerate, indicando un effetto sinergizzante dell’allelochimico

• Il metilchetone 2-tridecanone determina nelle larve di Keiferia lycopersicella un aumento di tolleranza verso il carbaryl

Il sinergismo o l’antagonismo degli allelochimici di piante resistenti agli insetti verso l’attività di insetticidi è influenzato

• Dalla loro concentrazione• Dalla attività di enzimi specifici detossificanti

Due popolazioni di Leptinotarsa decemlineata una resistente e una sensibile al fenvalerate sono state confrontate nelle risposte verso metilchetone 2-tridecanone

• L’ abilità metabolica della forma resistente a detossificare il fenvalerate non ha il medesimo effetto sull’allelochimico

• Il metilchetone 2-tridecanone delle piante resistenti di pomodoro influenza allo stesso modo le popolazioni resistenti e sensibili al fenvalerate di Leptinotarsa decemlineata

Inibizione di crescita in seguito alla presenza di inibitori

– La Miasina • E’ un flavone glucoside contenuto nella “barba” del mais

resistenti a Heliothis zea– La relazione tra concentrazione e penetrazione delle larve

del lepidottero nella spiga non è stata stabilita, in campo, e ciò indica che c’è un altro fattore che contribuisce alla resistenza del mais a H. zea

– Il Coumestrol • E’ un isoflavone trovato in elevata quantità nelle foglie di piante di

soia, che causa una significativa riduzione di peso nelle larve di Pseudoplusia includens

Inibizione cronica della crescita dell’insetto dovuta alla presenza di inibitori di crescita

– Gli acidi caurenoico e trachiloblanoico (acidi organici) prodotti nei fiori di cultivar di girasole resistenti agli insetti

• Ritardano lo sviluppo delle larve di alcuni lepidotteri• Una conferma della loro capacità inibitrici della crescita è data dalla

reversibilità del fenomeno quando le larve sono alimentate con una grande quantità di colesterolo

– Gossypolo, l’aldeide polifenolica, agisce come un inibilore di parecchie deidrogenasi è un pigmento giallo

• Nelle larve di Heliothis virescens e Spodoptera littoralis inibisce la crescita

– Il complesso fattori “x”: Emigossipolone, Sesquiterpene quinone e ”Elicoside” 1, 2 e 3, presenti in certe cultivar di cotone

• Riducono lo sviluppo di H. virescens in proporzione al Gossipolo – L’ossido di Cariofillene (monoterpene volatile) ad alte concentrazioni

• Inibisce la cescita delle larve di Heliothis virescens • Sinergizza gli effetti del Gossypolo

Inibizione di crescita dovuta alla riduzione di nutrienti della pianta

Nelle cultivar di mais resistenti ad Ostrinia nubilalis L’acido ascorbico è stato trovato in quantità impropria

• La cultivar di pisello “Laurier” resistente ad Acyrthosiphon pisum ha

– Un contenuto più basso in amminoacidi rispetto alle forme sensibili

• La cultivar di riso “Mudgo” resistente a Nilaparvata lugens ha

– Una quantità più bassa degli amminoacidi asparagina e glutamico rispetto alle forme suscettibili

• Cultivar di grano resistenti a afidi di cereali – Hanno un livello ridotto di proteine e realtive proteasi rispetto

alle cultivar suscettibili

Le difese fisiche e barriere morfologiche

Inibizione dovuta a riposte ipersensitive delle piante

– La rapida crescita può essere tale da indurre negli insetti effetti antibiotici

• La rapida crescita della capsula del cotone uccide le larve di Anthonomus grandis grandis e di Pectinophora gossypiella

• La rapida crescita di una cultivar di melanzana è stata indicata come elemento di antibiosi verso Liriomyza pictella

• La rapida crescita di pini è stata indicata come elemento di antibiosi verso Rhyacionia buoliana

– Le reazioni ipersensitive• Alcune piante di Brassica nigra ipersensibile alle uova di

Artogeia rapae reagiscono necrotizzando zone attorno la base delle uova causandone il disseccamento

– Le caratteristiche fisiche delle oleoresine• Piante di Pinus palustris e Pinus elliottii con una resistenza

maggiore a Dentroctonus frontalis hanno un – Più alto flusso resinifero– Maggiore viscosità – Maggiore tempo di cristallizzazione

Inibizione dovuta a fattori strutturali della pianta–Tricomi ghiandolari

• Il fogliame di Solanum berthaultii è protetto da tricomi ghiandolari dagli attacchi di Empoasca fabae Leptinotarsa decemlineata, Myzus persicae, e Epitrix cucumerix il campo dei tricomi è composto da

– Tricomi con ghiandole distali che esudano un rivestimento adesivo che ricopre i tarsi che impedisce agli insetti di muoversi sulla superficie fogliare a questo punto dalla estremità distale rotta di Tricomi più corti si liberano due componenti un naturale epossido: una resina (acido clorogenico) e un catalizzatore (polifenolossidasi)

– Gli insetti intrappolati nella resina muoiono per inedia• Il fogliame di specie di Medicago hanno tricomi ghiandolari sulle foglie,

fusto e strutture riproduttive – Questi quando sono rotti liberano una secrezione adesiva composta di

varie aldeidi, alcani ed esteri che intrappola e uccidono le larve neonate di Hypera postica e Empoasca fabae

– Mentre degli adulti di H. postica riducono l’attività alimentare e di ovideposizione

– Riduce le popolazioni del calcidide Bruchophagus roddi che si nutre dei semi

Tricomi non ghiandolari– Tricomi uncinati

• Di varietà di fagioli “impalano” le larve di insetti a corpo molle

• Sulle foglie di Phaseolus vulgaris infilzano le ninfe di Empoasca fabae che si muovono su di esse

Le piante con 2000 tricomi per cm2 sono più resistenti di quelle che ne hanno 400 cm2

– Tricomi erettiSulle foglie di cultivar di grano hanno un effetto di

antibiosi su Oulema melanopus Le uova deposte sul letto di tricomi muoiono per

disseccamento a seguito delle loro punture Le larve muoiono dopo aver ingerito frammenti di

tricomi che procurano lesioni nell’intestinocontinua

• Tricomi semplici– Costituiscono una densa pubescenza

• Su cultivar di cotone aumentano la mortalità delle larve di Manduca sexta

–Limitandone il movimento –Incrementando la loro suscettibilità alla

predazione

Pseudoplusia includens Keiferia lycopersicella Spodoptera littoralis

Anthonomus grandis grandis Rhyacionia buoliana Artogeia rapae

Tricomi con ghiandole distali Tricomi uncinati Epitrix cucumerix

Epidermide delle piante– La presenza di cellule contenenti silice conferisce

la resistenza di piante di riso a fitofagi• Un incremento di silice nel fusto ne aumenta la resistenza verso Chilo supressalis, C. zacconius e Tryporyza incertulas

– Le larve che si nutrono di tali piante consumano i bordi mandibolari durante l’alimentazione

– L’aumento di silice nell’epidermide in cultivar di mais, sorgo e grano ne fa acquisire resistenza verso i fitofagi

Tolleranza

La tolleranza è determinata dalla abilità genetica insita nella pianta

• Di liberarsi di un insetto infestante • Di ricostituire e aggiungere nuova

crescita dopo la distruzione • Di rimuovere i tessuti danneggiati

– Nella prospettiva agronomica le cultivar tolleranti • Danno più raccolto di quelle non tolleranti e/o

suscettibili

Source-sink dinamica è un modello teorico utilizzato da ecologisti per descrivere come variazioni in termini di qualità dell'habitat possano influenzare la crescita della popolazione o il declino

La tolleranza di una pianta ad un erbivoro è una caratteristica

complessa che coinvolge l’interazione tra fattori intrinseci ed estrinseci

Componenti fisiologici della tolleranza

Tasso intrinseco di crescita – Piante con basso tasso di crescita hanno difficoltà a

rimpiazzare il tessuto danneggiatoLe riserve immagazzinate di carboidrati e nitrogeni

– Sono spesso insufficienti o non sono mobilitate dopo la risposta iniziale della pianta al danno

• La mobilitazione delle riserve di carbonio ai meristemi è molto importante nei primi giorni del danno perché il contributo alla ricrescita eccede quanto prodotto dalla normale fotosintesi così la pianta deve dipendere dalle riserve di nitrogeni e fosforo anche dopo che la mobiltazione del carbonio di riserva è diminuita

– Le riserve immagazzinate possono essere un componente fondamentale della tolleranza in ambienti con risorse limitate dove i costi opportunistici dell’immagazzinamento sono più bassi a causa di limitazioni sulla crescita

L’espressione della tolleranza

Fattori intrinseci Sono quelli determinati geneticamente o

evolutivamente dalla pianta stessa e includonoComponenti fisiologici

• Tasso di crescita intrinseco• Capacità di immagazzinamento• Tasso di flessibilità della fotosintesi• Modelli di allocazione post danno• Assorbimento dei nutrienti

Componenti morfologici• Vulnerabilità e numero di meristemi• Plasticità di sviluppo

Stato fenologicoStato della crescita

Flessibilità fisiologica Via di allocazione post danno che stimola immediatamente la crescita ad

attivi meristemi è influenzata dalla architettura e arrangiamento dei meristemi

– Tale risposta al danno è fortemente influenzata dal relazione source-sink entro la pianta e quindi

– Differisce tra le specie– Varia con li momento del danno– Interagisce fortemente con le condizioni ambientali

Tasso di compensazione fotosintetica• L’incremento della fotosintesi dopo il danno è molto più comune nelle

erbe che in altre piante Aumento nella capacità di assorbimento di nutrienti

• Nelle piante defogliate il fatto è comune ma può essere insufficiente quando nel suolo ci sono pochi nutrienti disponibili

Stadio fenologico della pianta• Le giovani piantine sono meno tolleranti di quelle affermate

Caratteristiche morfologiche– Influenzano profondamente la capacità delle

piante a compensare il danno• I meristemi protetti di erbe e di specie

formanti rosette conferiscono una maggiore tolleranza rispetto alle piante con accrescimento internodale

–La posizione dei meristemi il loro numero in congiunzione con il sistema vascolare e la via di allocazione post danno sviluppano la plasticità per la riorganizzazione della crescita in piante danneggiate

Fattori estrinseci– Disponibilità di nutrienti, di luce e di acqua può ridurre la tolleranza

quando sono scarsi o ridotti per via biotica come la competizione• Questi fattori possono interagire con l’erbivoro producendo

un’ampia gamma di risposte entro una specie di pianta– Dalla morte (quando le risorse sono scarse e la scelta del momento

inopportuna)– Alla supercompensazione (quando le risorse sono abbondanti e la

scelta del momento opportuna)– L’effetto degli erbivori sulla pianta ospite differisce quantitativamente

e qualitativamente• La perdita di tessuti vascolari e meristematici inibiscono la ricrescita più

di quelli fotosintetici– Defogliazione non sempre può alterare il benessere della pianta

• La distribuzione spaziale del danno entro una pianta sull’entità del danno

– In Piper arieianum un medesimo tasso di defogliazione è meno tollerata se è concentrata su una sola branca che distribuita su tutta la pianta

– Tipo di esperienza dell’erbivoro e loro distribuzione entro una pianta

Manifestazioni di fattori che influenzano l’espressione della

tolleranza

• Condizioni ambientali – Temperatura

• La tolleranza della cultivar di sorgo KS-30 a Schizaphis graminum è minore a temperature inferiori a quelle ambientali

• La tolleranza ai danni da Schizaphis graminum nell’orzo, segala e avena è maggiore a temperature inferiori a quelle ambientali

• Nutrienti a livello del suolo– Alte quantità di potassio nel suolo aumentano la

resistenza delle piante di sorgo a Schizaphis graminum • Tolleranza genetica

– Nel cotone la tolleranza a Lygus lineolaris è stata evidenziata come un’azione additiva del gene, ma non sono state notate dominanze o effetti epistasici

Manifestazioni di tolleranza in piante coltivate

– Cultivar di orzo è stata trovata tollerante a Schizaphis graminum

– Cultivar di sorgo sono state trovate tolleranti a Schizaphis graminum, Blissus leucopterus leucopterus, Chilo partellus

– La cultivar di riso “Triveni” è tollerante a Nilaparvata lugens

– Cultivar di mais tolleranti a Diabrotica virgifera virgifera mostrano un apparato radicale più sviluppato delle forme sensibili

– Cultivar di mais sono state trovate tolleranti verso Heliothis zea

– Le cultivar di erba medica “Dawson” e “KS-10” sono state trovate tolleranti verso Acyrthosiphon pisum e Therioaphis maculata

• In seguito alla produzione di sostanza secca, carotene e proteine

• In cultivar di erba medica c’è tolleranza verso l’attività defogliatrice di Hypera postica

• In cultivar di cotone c’è tolleranza verso i danni al fusto dovuto a Earias vitella

– In seguito alla produzione di un numero maggiore di branche in risposta all’attività dell’insetto

• In cultivar di melone c’è tolleranza verso Aphis gossypii

– In seguito alla mancanta arricciatura delle foglie che segue normalmente l’infestazione dell’afide

Misurazioni quantitative della tolleranza

• Le caratteristiche delle piante comunemente associate con la tolleranza agli insetti sono– Incremento nelle dimensioni– Tasso di crescita

• Di foglie, fusti, piccioli, radici e semi o frutti

– Sopravivenza delle giovani piante

• Nel sorgo la tolleranza a Schizaphis graminum può essere influenzata dalla maturità della pianta– La valutazione della tolleranza all’afide in

piante più vecchie è migliore se si prendono in esame le differenze nel produttività

• Nelle piante di riso la tolleranza a Nilaparvata lugens fu valutata e identificata– Come “resistenza di campo” in piante coltivate

invece che in giovani piante

Formule per la valutazione della tolleranza delle piante di riso e

sorgo Dovute a Schweissing e Wilde

(1979) Panda e Heinrichs (1983)

• Le formule furono sviluppate per compensare il guadagno di peso dell’insetto durante i biosaggi e sono calcolate come– [(peso secco in mg di piante non infestate -

peso secco in mg di piante infestate) / peso secco dell’afide]

Quando il danno dell’insetto è leggero la tolleranza viene valutata come una Perdita Funzionale delle Piante (PFP) confrontando solo l’area delle foglie con la formula– [(area delle foglie del controllo - area delle

foglie delle piante infestate) / area delle foglie del controllo]

•La tolleranza a delle piante di riso a Nilaparvata lugens fu calcolata come1- (peso secco di piante infestate / peso secco di piante non infestate) x (1- stima del danno/9) x 100

L’analisi della regressione tra tolleranza e antibiosi per valutare la resistenza di piante agli insetti

– Nel riso è stata dimostrata la spartizione tra tolleranza e antibiosi dei componenti della resistenza a Spodoptera frugiperda

• Correlando la riduzione di peso secco della pianta (tolleranza) e il peso della larva (antibiosi) tra 5 genotipi di riso e la cultivar susettibile “Mars”

– L’intersezione di una linea marcante il valore medio massimo del peso larvale e la linea di regressione individua 4 quadranti che indicano le differenti combinazioni di tolleranza e antibiosi (Lye e Smith)

– Un tale sistema di valutazione per i medesimi fini è stato usato • Da Panda e Heinrichs a proposito della

resistenza di cultivar di riso a Nilaparvata lugens

• Da Ortega et al. realivamente alla resistenza del mais a Spodoptera frugiperda

Resistenza indiretta

• È una partita giocata tra piante ed erbivori in modo indiretto coinvolgendo i carnivori nemici degli erbivori e può essere– Un’azione costitutiva – Un’azione indotta dal fitofago

• La difesa indiretta della pianta può attrarre il carnivoro – Prescindendo dall’erbivoro

• E’ conosciuta da tempo questa capacità– In risposta all’erbivoro

• I carnivori “ascoltano” le “chiacchere” delle piante– Le piante danneggiate attivamente dagli erbivori

producono sostanze volatili che evocano comportamenti di risposta nei carnivori nemici degli erbivori

• I carnivori nella loro risposta discriminano tra piante infestate da erbivori e “infestate meccanicamente”

• Le Piante possono• Produrre gli stessi composti volatili in risposta al danno meccanico e all’erbivoro

–Sia il ferimento che il rigurgito dell’insetto contribuiscono ad attrarre l’imenottero parassitoide delle larve di Plutella xylostella che mangia piante di cavolo

• Non produrre gli stessi composti volatili quando vengono ferite meccanicamente

• La risposta delle piante all’attacco degli erbivori può essere– Indotta da secrezione degli erbivori

• La volicitina, presente nella secrezione orale di Spodoptera exigua, induce, nelle piante danneggiate di mais, il rilascio sistematicamente di volatili dalle foglie non danneggiate

– Indotta dall’alimentazione dell’erbivoro • Il Perillus bioculatus predatore di Leptinotarsa

decemlineata, risponde fortemente a 2-feniletano, un composto volatile emesso dalla pianta di patata in risposta alla attività alimentare di L. decemlineata

• La volicitina, presente nella secrezione orale di Spodoptera exigua induce nel mais la sintesi di volatili

• Legando al danno dell’insetto il reclutamento da parte della pianta di nemici naturali dell’insetto dannoso

– La voliticina nel mais causa una sovraregolazione della espressione dei geni coinvolti nella biosintesi di indole-3-glicerol phosphate lyaseo e di sesquiterpene cyclaseli

– La volicitina [N-(17-Hydroxylinolenoyl)-L-glutamine] è un acido grasso coniugato ad un aminoacido

• Prodotto da un legame amidico tra il gruppo acido carbossilico, il gruppo amminico di glutammina e il 17-idrossilato dell’acido linolenico

» L’acido grasso (17-idrossilato acido linolenico) è derivato dalla pianta

» L-glutammina è fornita dall’insetto – Le reazioni chimiche che portano alla volticina avvengono

nella cavità orale

Volicitina = N-(17-Hydroxylinolenoyl)-L-glutamine

Da InsettoL-glutammina

+17-idrossilato acido

linolenico Dalla pianta

=Volicitina

•Incremento di composti volatili rilasciati dalla pianta in risposta all’insetto che la mangia dovuto ad una interazione tra elicitori, come volicitina, con i tessuti danneggiati della pianta

•I semiochimici volatili sono anche usati dai nemici naturali degli erbivori per localizzare l’ospite

• La emissione di mono-, sesqui- e omoterpeni (Strutture blu) – Dalle piante attaccate sono pensate aumentare

l’efficienza di caccia dei nemici naturali (vespe gialle) facendo gli erbivori (larve di lepidotteri) più apparenti a loro (dipingendo di rosso la larva del lepidottero che è normalmente che è normalmente cripticamente verde) funzionando perciò come difesa indiretta della pianta

Perché un insetto induce la risposta difensiva del proprio

ospite?

Presumibilmente la volicitina ha un ruolo metabolico entro l’insetto

•È stato suggerito che può essere un prodotto della microflora dell’intestino in Spodoptera littoralis

– Che funziona come un tensioattivo che aiuta la digestione

La pianta ha impiegato il composto per i propri scopi

Gli insetti hanno tensioattivi che includono fosfolipidi e composti che contengono acido linolenico

–E’ stato suggerito che producano complessi acidi grassi acil-aminici per questo scopo

•D’altra parte Heliothis virescens e Helicoverpa zea contengono enzimi nel mesentero capaci di rompere il legame amidico nei coniugati aminoacidi-acidi grassi

•Le due specie di lepidotteri differiscono nella attività enzimatica come risulta nei differenti livelli degli elicitori nelle secrezioni orali, intestinali ed escrementizie

–Queste differenze negli enzimi intestinali possono essere un fattore causativo delle differenze tra miscugli dei volatili emessi dalle piante attaccate dall’una o dall’ altra specie di insetto

» Infatti l’imenottero parassita Cardiochiles nigriceps, per questo, può distinguere l’infestazione del proprio ospite Heliothis virescens da quella di Helicoverpa zea

– I meccanismi di questo tipo spiegano come le piante siano capaci di produrre misture di volatili erbivori-specifici che attraggono parassitoidi o predatori propri dell’ospite

Hypera postica Bruchophagus roddi Oulema melanopus

Tryporyza incertulas Lygus lineolaris

Blissus leucopterus leucopterus

Chilo partellus Diabrotica virgifera virgifera Therioaphis maculata

La β-glucosidasi mima l’effetto del rigurgito di Pieris rapae

– L’applicazione di tale sostanza su foglie di cavolo ferite meccanicamente

• Determina la produzione del miscuglio di prodotti volatili che sarebbero indotti dal rigurgito delle larve di Pieris rapae

– Che richiamano il parassitoide Cotesia glomerata

* Volatili generici della pianta (es. composti emessi in assenza di danno)

* “Green leaf volatiles” (es. terpeni costitutivi rilasciati dopo danno meccanico)

* Volatili connessi all’insetto (es. insetti o prodotti delle piante direttamente associati con la presenza dell’erbivoro)

* Volatili delle piante indotti (es. terpenoidi indotti ed emessi come una risposta ritardata al danno da alimentazione dell’insetto)

Resistenza per associazione

Succede quando una pianta

normalmente suscettibile sviluppandosi

in associazione con

una pianta resistente ottiene protezione

dagli insetti

Queste manifestazioni indicano che – La diversione o le azioni ritardanti nelle misture

di differenti specie di piante può aiutare a rallentare lo sviluppo di biotipi di insetti che superino la resistenza delle cultivar agli insetti

Da un punto di vista pratico questa resistenza – Può essere implementata basando lo sviluppo di

piante resistenti su differenti sorgenti di resistenza

Pseudoresistenza o falsa resistenza delle piante agli insetti

Conta molto pesantemente su fattori ambientali invece che su quelli genetici

– Si manifesta in piante normalmente suscettibili per alcune ragioni:

• Piantagione anticipata• Variazione di temperatura• Lunghezza del giorno• Chimica del suolo• Contenuto in acqua della pianta o del suolo• Metabolismo della pianta• Incompleta infestazione

Tecniche per la valutazione della resistenza delle piante

agli insetti

Di solito di basano sull’esposizione delle piante o di

sue parti ai fitofagi

La popolazione di Diaphania hyalinata lepidottero dannoso alle cucurbitacee in Messico

–Raggiunge la densità più bassa in colture di melopopone coltivato in associazione con mais, zucca e fagiolo dall’occhio, piuttosto che in monocoltura

Il coleottero Anthonomus grandis è stato tenuto fuori dalle coltivazioni di cotone piantando in combinazione

–Le razze altamente fruttificanti con cultivar non preferite per l’ovideposizione da parte del coleottero

Valutazione della resistenza agli insetti basata sulla risposta (danno)

della pianta all’insetto

• Generalmente ed è valutata come • Percentuale di danno sul fogliame o sui

frutti • Riduzione del prodotto• Riduzione del vigore generale della

pianta

La risposta (danno) della pianta dall’insetto varia in funzione

– Del tipo di pianta– Dell’insetto fitofago– Del luogo dell’esperimento

• Pieno campo • Serra • Laboratorio

I metodi scelti per misurare la risposta dovranno dare differenze distinte tra

– Piante suscettibili – Moderatamente suscettibili – Resistenti

La risposta della pianta all’attacco dell’insetto può anche dipendere

– Dal numero di insetti per pianta• Quando la popolazione del fitofago è troppo alta

– Le cultivar con un basso e moderato livello di resistenza possano apparire suscettibili

• Quando la popolazione del fitofago è troppo bassa– Non si ha una chiara separazione delle piante resistenti dalle

suscettibili– Dal vigore della pianta

• Piante con scarso vigore per deficienze di acqua o nutrienti – In condizioni normali potrebbero essere resistenti

– Dall’età della pianta• Piante troppo giovani possono risultare suscettibili al contrario di piante

adulte– Da fattori che influenzano la sistemazione dell’insetto sulla pianta– Dall’interazione tra la risposta dell’insetto e stimoli della pianta – Dai fattori ambientali

Nello stabilire un metodo efficiente di screening

– E’ necessario conoscere • La biologia del fitofago e il suo potenziale

danno sulla pianta• Il numero di insetti necessari per pianta• Il numero di insetti rilasciati • Lo stadio di crescita della pianta • Il tempo appropriato dall’infestazione alla

valutazione

Tecniche per lo screening di un grande numero di varietà differiscono

–Per ogni insetto –Per ogni cultivar

Screening di campo• Scelta di un area con

– Una prevedibile alta infestazione – Una coincidenza fra

• Il massimo di infestazione e la giusta crescita della pianta

• Utilizzo di infestazioni naturali

– L’utilizzo di popolazioni naturali comporta alcuni svantaggi • L’aleatorietà della presenza del fitofago• La presenza troppa bassa o troppo elevata del fitofago • La diffusione spesso irregolare nello spazio e nel tempo del fitofago• Le variazioni annuali del livello di popolazione del fitofago• La possibilità di incorrere in attacchi di altri fitofagi non bersaglio che

possono causare danni simili al fitofago bersaglio– Tecniche per alleviare o eliminare queste difficoltà

• Utilizzo di piante suscettibili al fitofago come bordo dell’area di screening o all’interno fra le parcelle

• Utilizzo di piante che possono anche essere tagliate o rimosse durante la prova per favorire lo spostamento del fitofago sulle piante test

• L’utilizzo di insetticidi selettivi – Che eliminano l’infestazioni di altri fitofagi o la pullulazione di

predatori e parassitoidi – Tutte queste situazioni possono rendere difficile l’interpretazione

dei risultati

• Utilizzo di infestazioni artificiali Gli erbivori da utilizzare in screening di valutazione della resistenza

sono ottenuti – Da allevamenti massali che permettono grandi e continue

forniture di insetti allevati massivamente • Su ospiti naturali come per Emitteri e Ditteri • Su dieta artificiale come per Lepidotteri

– Tecnica sviluppata molto negli ultimi tempi in seguito alla disponibilità di diete e tecniche per l’utilizzo

– La produzione di insetti test su dieta artificiale riducono diversità genetiche nella popolazione del fitofago per questo motivo sono necessarie

» Diete che contengano materiali della pianta ospite come allelochimici

» Continue introduzioni di individui selvatici nelle popolazioni di laboratorio

Screening con gabbie in campo• Le gabbie permettono

– L’eliminazione della fuga dei fitofagi bersaglio – Limitano l’arrivo di predatori e parassitoidi dalle zone

circostanti il campo di prova

Le gabbie possono essere•Molto grandi per racchiudere piante •Piccole per racchiudere solo parti di pianta

La dimensione e la forma sono determinate da •Tipo di piante test •Età di piante test •Numero di piante test che devono essere valutate

Screening in serra

– Permettono • Un elevato controllo nella selezione di piante

resistenti • Una limitata quantità di materiale da valutare

– Permettono • Di migliorare le fasi di crescita di piante a ciclo vitale

lungo – Richiedono

• Il controllo del tasso di infestazione – Per evitare che l’eccessiva pressione della popolazione

distrugga o oscuri le potenziali fonti di resistenza

Test di screening con seedbox standard– Utilizzato soprattutto per afidi e cicaline – Le cultivar da valutare sono seminate in file assieme a file di cultivar

resistente e suscettibile all’interno di un box in legno o di materiale plastico riempito di terreno

– Le ripetizioni non devono essere meno di 4 o 5 – L’insetto test è rilasciato in numero tale da uccidere le piante suscettibili – La valutazione viene effettuata utilizzando delle scale di gradazioni di

danno rispetto alla cultivar di controllo suscettibile

Test di screening con seedbox modificato – È utilizzato per valutare cultivar con una limitata

resistenza che non è apprezzabile con il metodo tradizionale

– Il test utilizza •Piante di età più vecchia di quella che di solito si ha durante l’infestazione •Livelli di popolazione del fitofago più limitati

– E’ stato impiegato per lo screening della resistenza del riso a Nilaparvata lugens

Test di screening con scelta

Test di screening di libera scelta (o preferenza) •Adottato di routine nella valutazione della resistenza delle piante

agli insetti per la semplicità e l’economicità del metodo •Viene utilizzato nella preliminare valutazione della resistenza

Test di screening senza scelta

Il test di non scelta è stato largamente utilizzato come• Complemento al test di libera scelta per identificare e

confermare •La presenza o l’assenza della resistenza all’insetto per un

vasto numero di piante

Screening in laboratorio Metodo valido e rapido per confermare la resistenza test di campo o di serra

– In laboratorio sono spesso utilizzate parti di pianta come foglie recise o dischi fogliari

• Varie ricerche hanno mostrato che la rimozione di tessuti dalla pianta potrebbe avere influenze sull’espressione della resistenza

– Il danno alla pianta generato durante l’alimentazione dell’insetto viene misurato basandosi

• Sull’area mangiata • Dal peso secco del controllo • Dal tessuto danneggiato• Dalla stima visiva del danno come quantità

mangiata rispetto alla pianta non mangiata

Valutazione della resistenza agli insetti basata sulla risposta dell’insetto alla

pianta

Le principali categorie di risposte comportamentali e fisiologiche degli insetti

– Che vengono considerate quando vengono eseguiti biosaggi su piante resistenti sono

• L’orientamento• Il contatto• L’istallazione o colonizzazione • L’alimentazione • Il metabolismo del cibo ingerito• La crescita• La longevità dell’adulto • La fecondità e l’ovideposizione

L’interazione della somma di tutti queste risposte – Determinano la resistenza o suscettibilità della pianta test

a una specie di insetto

Orientamento e istallazione• L’orientamento dell’insetto coinvolge stimoli visivi ed olfattivi emanati

dalla pianta– Questi possono essere identificati dall’insetto a varie distanze, prima

del contatto con la superficie della stessa– La risposta di orientamento e di istallazione dell’insetto sulla pianta

sono generalmente misurati dal test di libera scelta e dal test all’olfattometro

• La risposta all’orientamento viene misurata da pochi minuti fino a un ora dal rilascio dell’insetto test

• La risposta alla istallazione viene generalmente misurata per un intervallo di tempo maggiore a quello dell’istallazione

• Il test di libera scelta più utilizzato prevede– L’insetto test posizionato al centro di un area dove, ai lati, le diverse

piante da saggiare sono poste in modo randomizzato ed equidistante– Gli insetti rilasciati al centro dell’area vengono poi contati in momenti

successivi sulle differenti cultivar registrando il numero di individui presenti in diversi momenti

• Il test all’olfattometro per studiare la risposta all’orientamento valuta la risposta dell’insetto alle sostanze volatili delle piante – Uno dei più comuni olfattometri è quello ad Y

Olfattometro a YStrumento che fornisce la Strumento che fornisce la possibilità di scelta tra due vie

• E’ usato per misurare le risposte a unità di composti chimici volatili

L’alimentazione• Tale indagine utilizza tecniche che registrano lievi cambi nel

comportamento di alimentazione dell’insetto da piante suscettibili a piante resistenti attraverso– La misurazione delle parti di pianta danneggiate

• Le piante resistenti sono meno danneggiate delle piante suscettibili perché meno insetti si alimentano su di esse

– La risposta all’alimentazione dell’insetto • Gli insetti fitofagi con apparato boccale masticatore

– Causano direttamente il danno durante l’alimentazione• Gli insetti fitofagi con apparato boccale pungente succhiatore

– Danneggiano la pianta sia per sottrazione di linfa dai tessuti e sia per la trasmissione di microrganismi patogeni durante l’alimentazione

• Le cultivar resistenti sono meno danneggiate • In seguito alla minore presa di cibo

– Soprattutto di linfa dal floema

–Tecnica di individuazione del tessuto di alimentazione dell’insetto con apparato boccale pungente succhiatore

• Tecnica che impiega la safranina– Le piante da testare vengono immerse con le radici pulite dal

terreno in una soluzione acquosa al 0,2 % di safranina per 6 ore dopo di che tutto lo xilema è colorato di rosso

– Le gocce di melata escreta dall’insetto vengono raccolte su carta da filtro che poi viene immersa in una soluzioni di ninidrinina, così si formeranno

»Macchie rosse se l’insetto si è alimentate sullo xilema»Macchie blu se si è alimentato sul floema

– Applicando questo metodo è risultato che Nephotettix virescens

»Sulle piante resistenti di riso è a principale alimentazione xilematica

»Sulle piante suscettibili di riso è a principale alimentazione floematica

•Tecnica della colorazione di tessuti fogliari – Consiste nel colorare tessuti fogliari per mettere in

evidenza il callosio» Un polisaccaride che rivela l’attività alimentare

degli afidi – La deposizione del callosio è originata dall’interazione

o reazione della pianta alla penetrazione degli stiletti dell’insetto

– Il callosio fissa il colorante blu di anilina » Così mette in evidenza l’eventuale attività

alimentare dell’insetto

• Tecnica dell’elettropenetrografia (EPG system) – Il sistema EPG-DC (direct current) si basa sulla

registrazioni delle variazioni di resistenza elettrica (Ra) che avvengono durante l’alimentazione di un insetto con apparato boccale pungente succhiatore

– Il sistema EPG-DC è costituito da• Una fonte di voltaggio• Una resistenza elettrica costante (Ri) di 1G Ω ( giga ohm)• Entrambi connessi mediante un elettrodo all’insetto e uno

alla pianta– Quando l’insetto inserisce gli stiletti nei tessuti della

pianta il circuito si chiude • Il flusso di corrente che attraversa l’insetto e i vari tessuti

della pianta fanno identificare le differenti attività alimentari

Componenti di base di EPG e circuito di base

a) Componente di EPG e circuito primario

b) Circuito primario includente i componenti biologici (pianta e insetto)

c) Diagramma schematico del circuito primario dove i componenti biologici sono modellati come un resistore variabile, Ra. Inoltre sono indicati l’imput resistore Ri (resistore di valore costante) e Vs sorgente del voltaggio

d) Diagramma schematico del circuito primario dove i componenti biologici sono modellati come un resistore variabile, Ra, in serie con una sorgente variabile di voltaggio, emf (electromotive force)

Elettropenetrografia (EPG Dc system)

Registrazione EPG

Diagramma dell’andamento della corrente elettrica all’interfaccia insetto-pianta

• Le diverse attività che influenzano il variare della Ra sono

– La concentrazione ionica all’interno del canale alimentare e salivare dell’insetto

• Maggiore è la concentrazione minore sarà Ra e viceversa– Tale concentrazione varierà in funzione dei vari tessuti

raggiunti dagli stiletti – Il tipo di saliva prodotto dall’insetto

I tipi di saliva prodotta dal gruppo degli Omotteri sono due – Una di tipo acquoso contenente enzimi– Una di tipo lipoproteica che, gelificando, va a formare la

guaina salivare. – La produzione di questi due tipi di saliva avviene in momenti

diversi e alternati fra loro, durante la penetrazione degli stiletti all’interno della pianta

– La resistenza elettrica variabile (Ra)• E’ alta quando la saliva è lipoprteica• E’ bassa quando la saliva è acquosa

– La Ra è influenzata dall’apertura e chiusura delle valvole precibariale e salivare che avviene durante le varie fasi dell’alimentazione

• La elevata chitinizzazione delle due strutture determina un aumento di Ra durante la loro chiusura

Metodo di avanzamento degli stiletti negli afidia) Stiletti entro la guaina salivare, R altab) Stiletti leggermente oltre la guaina salivare, R altac) Guaina salivare secreta nella fase liquida, R bassad) Secrezione della saliva liquida e conseguente estrusione in una bolla della

guaina salivare, R bassa a causa della saliva liquida e) Cessazione della saliva liquida e gelificazione della nuova bolla della

guaina salivare R altaf) Stiletti leggermente oltre la guaina salivare, R alta

• Il sistema EPG-DC valuta anche i biopotenziali presenti durante l’introduzione degli stiletti nei tessuti della foglia– Il potenziale di membrana, il più importante, esistente sui

due lati della membrana citoplasmatica • Infatti fra l’interno e l’esterno di questa esiste una

differenza di potenziale di circa 100 -180 mV e quando gli stiletti penetrano questa membrana si ha un brusco calo di potenziale

– Il potenziale di flusso originato dalle diversa distribuzione delle cariche all’interno di un capillare durante il passaggio dei fluidi

• Questo si origina nei due canali – Quello alimentare – Quello salivare dell’apparato boccale

Potenziali della membrana cellularea) Estremità degli stiletti in posizione extracellulare, emf (electromotive force)

causata dal potenziale di membrana è positivob) Estremità degli stiletti in posizione intracellulare, emf (electromotive force)

causata dal potenziale di membrana è negativa

Potenziale di flusso (Streaming potential) a) Sezione longitudinale del capillare con evidenziata la distribuzione degli ioni. Lo

strato degli ioni negativi aderenti alla parete attraggono quello degli ioni positivib) Il flusso è più alto al centro e decresce parabolicamente avvicinandosi alle pareti

del capillarec) Formazione di un potenziale di flusso causato dalla interazione di a) e b)Gli ioni negativi non sono mossi dal flusso del fluido al contrario degli ioni positivi

che in tal modo danno luogo ad una accumulazione di carica positiva alla fine del capillare

La differenza di potenziale tra l’estremità inferiore e superiore del capillare è detta potenziale di flusso

Apparato boccale pungente succhiatore degli afidi

Struttura e funzionedell’apparato boccaleall’interno del floema

valvola precibariale

singolo canale apicale

intestino

pompa salivare

Durante E1:•valvola chiusa•pompa salivare attiva

Durante E2:•valvola aperta•pompa salivare attiva

Struttura e funzionedell’apparato boccaleall’interno del floema

valvola precibariale

singolo canale apicale

intestino

pompa salivare

Durante E1:•valvola chiusa•pompa salivare attiva

Durante E2:•valvola aperta•pompa salivare attiva

valvola precibariale

singolo canale apicale

intestino

pompa salivare

Durante E1:•valvola chiusa•pompa salivare attiva

Durante E2:•valvola aperta•pompa salivare attiva

Processo di penetrazione degli stiletti nella pianta

guaina salivare intercellulare

epidermide mesofillo

Labbroinferiore

salivazione e ingestione intracellulareC

ellu

la c

ompa

gna

floema

Vaso

floe

mat

ico

Labbroinferiore

epidermide mesofillo

salivazione e ingestione intracellulare

floema

Cel

lula

com

pagn

a

Vaso

floe

mat

ico

guaina salivare intercellulare

Labbroinferiore

epidermide mesofillo

Labbroinferiore

Ingestione floematica

floema

Cel

lula

com

pagn

a

Vaso

floe

mat

icoepidermide mesofillo

Salivazione intracellulare floematica

floema

Cel

lula

com

pagn

a

Vaso

floe

mat

ico

Labbroinferiore

a b

c dguaina salivare intercellulare

epidermide mesofillo

Labbroinferiore

salivazione e ingestione intracellulareC

ellu

la c

ompa

gna

floema

Vaso

floe

mat

ico

Labbroinferiore

epidermide mesofillo

salivazione e ingestione intracellulare

floema

Cel

lula

com

pagn

a

Vaso

floe

mat

ico

guaina salivare intercellulare

Labbroinferiore

epidermide mesofillo

Labbroinferiore

Ingestione floematica

floema

Cel

lula

com

pagn

a

Vaso

floe

mat

icoepidermide mesofillo

Salivazione intracellulare floematica

floema

Cel

lula

com

pagn

a

Vaso

floe

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Labbroinferiore

guaina salivare intercellulare

epidermide mesofillo

Labbroinferiore

salivazione e ingestione intracellulareC

ellu

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floema

Vaso

floe

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guaina salivare intercellulare

epidermide mesofillo

Labbroinferiore

salivazione e ingestione intracellulareC

ellu

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floema

Vaso

floe

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Labbroinferiore

epidermide mesofillo

salivazione e ingestione intracellulare

floema

Cel

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floe

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guaina salivare intercellulare

Labbroinferiore

Labbroinferiore

epidermide mesofillo

salivazione e ingestione intracellulare

floema

Cel

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floe

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ico

guaina salivare intercellulare

Labbroinferiore

epidermide mesofillo

Labbroinferiore

Ingestione floematica

floema

Cel

lula

com

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Vaso

floe

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Salivazione intracellulare floematica

floema

Cel

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floe

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Labbroinferiore

epidermide mesofillo

Labbroinferiore

Ingestione floematica

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Cel

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Vaso

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Labbroinferiore

Ingestione floematica

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Salivazione intracellulare floematica

floema

Cel

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epidermide mesofillo

Salivazione intracellulare floematica

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Cel

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Labbroinferiore

a b

c d

Stiletto tagliato duranteWaveforms E2

Stiletto tagliato duranteWaveforms E2

1 µm

Stiletto tra le pareti di 2 cellule dimesofillo

= lamella mediana

f

s

s, canale salivaref, canale alimentare

1 µm1 µm

Stiletto tra le pareti di 2 cellule dimesofillo

= lamella mediana

f

s

s, canale salivaref, canale alimentare

Sezione fogliare con il completo percorso degli stiletti dall’epidermide

attraverso il mesofillo fino ai tessuti vascolari

100 µm

Percorsodello stiletto intercellulare

Fase xilematica

Fase floematica

Percorso dello stiletto

100 µm

Percorsodello stiletto intercellulare

Fase xilematica

Fase floematica

Percorso dello stiletto

Forme d’onda (waveform) di afide

G E1 E2

xilema f l o e ma

5 sec 5 sec5 sec

p a t h ( w a y )45 sec

AB

B C C

pd

SINTESI

DETTAGLI

1 h

np np np

path path path path path

probe probe probe

xilema phloem floema

E1

E1 E2

G E1 E2

xilema f l o e ma

5 sec 5 sec5 sec

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AB

B C C

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SINTESI

DETTAGLI

1 h

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xilema phloem floema

E1

E1 E2

1 h

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probe probe probe

xilema phloem floema

E1

E1 E2

pd

A

Waveforms A, B, C: penetrazione intercellulare

A: primo contatto elettrico dello stilettoB: produzione della guaina salivareC: penetrazione intercellulare dello stiletto (etc.)pd: brevi punture intracellulari durante l’avanzamento dello stiletto

B B C C

np

pd

A

Waveforms A, B, C: penetrazione intercellulare

A: primo contatto elettrico dello stilettoB: produzione della guaina salivareC: penetrazione intercellulare dello stiletto (etc.)pd: brevi punture intracellulari durante l’avanzamento dello stiletto

B B C C

np

Floema: waveforms E1 e E2

1 min

E2E1

E2 ingestione e contemporanea salivazioneE1 salivazione all’interno del floema

plasmalemma

guaina salivareparete cellulare saliva acqusa

stilettoLinfa floematica

Floema: waveforms E1 e E2

1 min

E2E1

E2 ingestione e contemporanea salivazioneE1 salivazione all’interno del floema

plasmalemma

guaina salivareparete cellulare saliva acqusa

stilettoLinfa floematica

Waveform E1 rappresenta la fase di salivazione waveform E2 la fase di ingestione passiva della linfa elaborata

• Le forme d’onda registrate durante l’alimentazione dell’insetto sono interpretate come – Sondaggio – Salivazione – Alimentazione floematica– Bevuta dallo xilema

• La registrazione permette – Di valutare o localizzare i meccanismi di resistenza

all’interno dei tessuti fogliari– Ogni forma d’onda (waveform) è correlata con i differenti

aspetti del comportamento di sondaggio– I patterns indicano le sequenze specifiche di differenti

forme d’onda

• Correlazione tra EPGs con i comportamenti di sondaggio– Le tecniche istologiche sono utili per identificare il tessuto

della pianta nel quale le estremità degli stiletti sono locati durante le differenti forme d’onda (waveform)

– Per il fatto che gli omotteri ingeriscono fluidi e secernono saliva attraverso l’estremità degli stiletti, la loro localizzazione in un tessuto vegetale durante una specifica forma d’onda è molto importante per interpretare il comportamento di sondaggio durante quella forma d’onda

– Una volta che le correlazioni tra le forme d’onda rilevate con l’EPG e lo specifico comportamento di sondaggio sono conosciute

• l’EPG può essere usato per studi dettagliati sul comportamento di sondaggio di omotteri e così ottenere una risposta relativamente all’accettazione o al rifiuto della pianta ospite

,

inizio EPG (c

ontatto

con la

pianta)

primo probe

prima fa

seflo

ematica

prima a

bbondante

(> 10

min)

fattori nel floemafattori nel mesofillo e nel floema

fattori presenti nell’epidermide e mesofillofattori di superficie

fase flo

emati

ca (E

2)

fattori presenti nel mesofillo e nei fasci vascolari

probes < 3m

in.

Fattori di resistenza in differenti tessuti della pianta ospite

probing attività sequenza / tempo

inizio EPG (c

ontatto

con la

pianta)

primo probe

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ematica

prima a

bbondante

(> 10

min)

fattori nel floemafattori nel mesofillo e nel floema

fattori presenti nell’epidermide e mesofillofattori di superficie

fase flo

emati

ca (E

2)

fattori presenti nel mesofillo e nei fasci vascolari

probes < 3m

in.

Fattori di resistenza in differenti tessuti della pianta ospite

probing attività sequenza / tempo

• Tecnica del disco di carta da filtro – La quantità relativa di alimento asportato dall’insetto sulla pianta

suscettibile e sulla pianta resistente può essere rilevata • Misurando l’area della melata raccolta su un disco di carta da filtro

– Il filtro viene rimosso ogni 12 ore e il numero di gocce di melata vengono evidenziate immergendo il disco in una soluzione del 0,2% di ninidrinina n-butanolo

– Questa tecnica fu per la prima volta utilizzato per misurare la resistenza e la suscettibilità di piante di pisello a Acyrthosiphon pisum e di piante di riso a Nilaparvata lugens

– Tecnica del sacchetto di parafilm

• La melata prodotta è misurata– In volume mediante pipette calibrate di diversa misura – In peso mediante la pesatura delle micropipette di raccolta

dedotta la tara• La quantità di melata per insetto prodotta in 24 ore

– E’ usata come parametro per confrontare l’attività di alimentazione su piante suscettibili e resistenti

• La tecnica è stata utilizzata per quantificare la melata escreta da Nilaparvata lugens, Nephotettix virescens e Sogatella furcifera che si nutrono su riso

a) Gabbia per misurare la melata prodotta sulle pianteb) Sezione longitudinale

– Tecnica della registrazione temporale della escrezione di melata

• La tecnica consiste nel far scorrere un nastro collegato e regolato da un orologio in modo che le gocce vengano rilevate nei vari momenti dall’inizio dell’esperimento

• Così è possibile rilevare il ritmo di produzione della melata che cambia fra una cultivar resistente e una suscettibile

La melata una volta raccolta viene analizzata per il contenuto in aminoacidi liberi e zuccheri

– La melata proveniente da insetti che si nutrono su cultivar resistenti è acida

– La melata proveniente da insetti che si nutrono cultivar suscettibile di solito è basica

Valutazione della perdita di superficie fogliare dovuta a insetti con apparato boccale masticatore

– L’alimentazione degli insetti con apparato boccale masticatore può essere valutata con i seguenti metodi

• Strumenti fotometrici • Video registrazione • Elettro registrazioni • Metodi colorimetrici

Il metabolismo del cibo ingerito• I tessuti delle piante ingeriti dagli insetti prima di

essere utilizzati per la crescita, sopravvivenza e fecondità devono seguire un adatto metabolismo– Nella maggioranza dei casi la misurazione

dell’utilizzo del cibo da parte dell’insetto viene determinata con metodi gravimetrici • Gli indici usati richiedono generalmente

–Il peso iniziale e finale dell’insetto–Il peso del cibo ingerito –La quantità delle feci prodotte durante

l’analisi

La crescita• La crescita di un insetto su una pianta

resistente o suscettibile è determinata attraverso – Il peso raggiunto da larve o neanidi – Lo sviluppo di larve in pupe, di neanidi in

ninfe e di entrambe in adulti determinato come • Percentuale di individui immaturi • Tempo medio richiesto per la crescita

La longevità dell’adulto• Determina la stabilità dell’insetto sulla pianta

dove ha completato la crescita• Sulla pianta test è registrato

• Come periodo di sopravvivenza dell’adulto

La fecondità e l’ovideposizione delle femmine • Su differenti piante ospiti è determinata come numero di uova prodotte

e deposte ed è importante – Conoscere i dettagli nella preferenza di ovideposizione

• E’ utile quando in programmi di miglioramento genetico– Vengono fatti tentativi di identificare un germoplasma resistente

– Conoscere il ruolo della risposta delle femmine agli stimoli ad ovideporre sulla pianta e la stabilizzazione sulla pianta resistente o suscettibile è importante per

• Eliminare differenze nella fecondità causate da differenti assunzioni e assimilazioni di cibo

• Alle femmine ovideponenti allevate su pianta ospite suscettibile è permesso di ovideporre su piante ospiti differenti, per lo stesso periodo di tempo – Sulla base del numero di uova deposte è messa in evidenza la loro

preferenza per piante differenti • Biosaggi sulla ovideposizione possono essere condotti

– In campo, serra, laboratorio – In test di libera scelta (preferenza) o test di non libera scelta

(risposta di ovideposizione)

L’incremento della popolazione dell’insetto fitofago • E’un importante criterio per misurare

– Il livello di resistenza delle piante da valutare • Rappresenta l’effetto cumulativo

– Della installazione e della alimentazione – Dell’ingestione o utilizzazione del cibo – Della crescita – Della sopravivenza dell’adulto – Del tasso di ovideposizione e schiusura delle uova dell’insetto su

una determinata pianta da valutare • Per determinare l’incremento di popolazione

– Un numero noto di maschi e femmine sono confinati su piante da valutare in serra o in pieno campo

– Il numero di insetti raccolti sulle piante ingabbiate al termine dell’esperimento (1-3 mesi) viene considerata

• Una indicazione della suscettibilità o resistenza complessiva delle piante valutate

Fattori che influiscono sulla resistenza delle piante agli insetti

Variabili delle piante

Earias vitella Aphis gossypii Perillus bioculatus

Cardiochiles nigriceps Cotesia glomerata Diaphania hyalinata

Nephotettix virescens Sogatella furcifera Chalcodermus aeneus

Densità delle piante• La densità del fogliame condiziona l’espressione di resistenza della

pianta– In coltivazioni di piselli il danno da Chalcodermus aeneus aumenta

del 300% quando la densità di impianto è 15 volte superiore al normale

– Nelle coltivazioni di pomodoro i danni da Heliothis zea aumentano in relazione all’incremento di densità come succede per le coltivazione dei piselli

– Differenti cultivar di cipolla sono apprezzate in modo largamente diverso da Delia antiqua per l’ovideposizione

• Le differenze per la quantità di uova deposte scompare quando il confronto viene fatto attraverso l’analisi della covarianza che tiene conto della grandezza delle piante

– Tutti questi esempi indicano che è necessario standardizzare la spaziatura, tra le piante da valutare per la resistenza ad una determinata popolazione di insetti, in proporzione ad una biomassa di piante per area

Altezza delle piante• Influenza la loro resistenza agli insetti

– Nelle piantagioni di cotone il rincote Lygus hesperus preferisce le cultivar alte per ovideporre• Quando ci sono piante di grandezza diversa

nella coltivazione quelle più grandi sono preferite

–Il fenomeno scompare quando è rimossa la differenza in grandezza

»Infatti le cultivar più grandi sono in assoluto le meno preferite

– Le piante di riso più basse sono quelle più infestate da Ancyloxypha numitor

Età dei tessuti delle piante• La resistenza dei tessuti delle piante al danno da insetti varia in modo marcato

durante la vita ed è specifico dell’età• Piante meno resistenti agli insetti nei primi stadi di sviluppo

– In alcune cultivar di riso la tolleranza a Nilaparvata lugens non è evidente in piante di 7 giorni, mentre lo è in quelle di 20 giorni

– Le piante di riso “IR36” resistenti a Nephotettix virens sono meno resistenti a 10 gironi dall’impianto in confronto alle manifestazioni di più alta resistenza a 20, 40 e 60 giorni dall’impianto

– Lo stesso trend di resistenza è manifesto• Nel fogliame del pomodoro selvatico verso L. decemlineata• Nel mais dolce verso Heliothis zea• Nel orzo verso Ropalosiphum padi

• Piante più resistenti agli insetti nei primi stadi di sviluppo– Nelle piante di sorgo la resistenza verso Ropalosiphum maidis, Peregrinus

maidis e Locusta migratoria migratoroides • E’ legata ad un più alto tasso di rilascio di cianuro e ad una più alta

concentrazione di p-idrossibenzaldeide nella superficie cerosa delle foglie

– Nelle piante giovani e più piccole di mais la resistenza verso Ostrinia nubilalis

• E’ legata al più alto contenuto di DINBOA rispetto a piante più grandi e più mature

Tipo di tessuto delle piante • Nelle piante di soia

– Le foglie più succulenti alla sommità della pianta sono preferite da Heliothis zea rispetto alle foglie più basse

• Nelle piante di cultivar soia resistenti a Pseudoplusia includens – Le due foglie sommitali completamente espanse sono più sensibili

all’insetto delle altre lungo il fusto• Nelle piante di Melilotus infestans

– Le foglie sommitali sono più sensibili a Sitona cylindricollis • Nella cultivar “CIND” di pepe dolce

– Le foglie sommitali sono più resistenti a Trialeurodes vaporariorum di quelle più vecchie e più mature

La resistenza delle piante agli insetti è influenzata anche da una precedente

esposizione a vari stimoli

Precedenti ferimenti da insetti o da mezzi meccanici induce incrementi di resistenza

di molte piante coltivate agli insetti

• Resistenza indotta nella pianta – E’ definita come l’aumento quantitativo e qualitativo di un

meccanismo di difesa contro gli esseri dannosi in risposta a stimoli estrinseci fisici o chimici

• Le risposte indotte delle piante a danni meccanici possono far parte di una reazione difensiva generale

– Perché alcuni allelochimici liberati » Sono simili a quelli sviluppati durante

infestazioni da patogeno

• Resistenza indotta da danni meccanici e da danni dovuti all’attività alimentare di insetti – In piante di pomodoro l’induzione si può avere

• dopo 4 ore dall’aggressione e questa – Può rimanere efficace per 7 giorni – Può rimanere attiva in alcune piante per 3 anni

– In piante di cotone l’attività alimentare di Heliothis zea • Induce la produzione e l’incremento del livello di composti fenolici

che determinano sintomi antibiotici verso le proprie larve– In cultivar di soia resistenti agli insetti l’abrasione

meccanica delle foglie • Aumenta la resistenza della pianta a Pseudoplusia includens.

– In Pinus taeda la scarificazione della corteccia • Aumenta la resistenza della pianta a Dendroctonus frontalis.

• Il ferimento induce due tipi di cambiamenti chimici che coinvolgono i fenoli

• Ossidazione di fenoli endogeni preformati che conduce alla differenziazione di chinoni tossici

• Sintesi di mono o difenoli che agiscono come composti difensivi

–In Picea excelsa e Solanum dulcamara • L’aumento della concentrazione di fenoli avviene in associazione

con la risposta ipersensitiva di cultivar resistenti in seguito all’alimentazione da parte di insetti

• Le piante resistenti di Solanum dulcamara producono – Cellule necrotiche nel punto di attacco – Accumulano composti polifenolici dopo 4 ore dall’attacco

Delia antiqua Lygus hesperus Ancyloxypha numitor

Peregrinus maidis Locusta migratoria migratoroides Sitona cylindricollis

Trialeurodes vaporariorum Rheumaptera hastata Plagiodera versicolora

• La defogliazione come fatto per l’acquisizione di resistenza ai danni da insetto– In Betulla papyrifera le foglie di piante preventivamente

defogliate sono più resistenti • Ai danni da alimentazione delle larve di Rheumaptera hastata

– In Betulla pubescens e B. pendula il fogliame di piante precedentemente danneggiato è più resistente

• Verso le larve di Spodoptera littoralis, rispetto al fogliame non danneggiato.

– In Quercus rubra e Q. velutina con storiche defogliazini da parte di Lymantria dispar sono più resistenti

• Alle più recenti infestazioni rispetto alle piante non danneggiate in precedenza

– In Salix alba e S. babylonica i danni alle foglie rendono le piante resistenti

• Verso le larve di Plagiodera versicolora.– In Salix sitchensis i danni al fogliame induce resistenza

• A Hyphantria cunea.

Infezione dei tessuti della pianta da malattie• La resistenza delle piante agli insetti può essere

aumentata dalla risposta immunitaria delle piante ad infezioni da malattie

– In piante di Lolium perenne il fogliame con alti livelli di infezione da Acremonium lolie è più resistente verso

» Listronotus bonariensis, Sphenophorus parvulus, Spodoptora frugiperda e S. eridania.

• La valutazione della possibilità di indurre resistenza agli insetti indotta da parte dei funghi nella gestione delle loro popolazioni

– E’ annullata dal fatto che il fungo produce alcaloidi tossici ai vertebrati

• La resistenza dei tessuti asportati della pianta

– Nessuna differenza è stata notata• Sulla resistenza di Solanum a Myzus persicae

quando sono state condotte prove – Con foglioline asportate dalla pianta– Con piante in campo

• Sulla quantità di Fagiolo verde consumata da Epilachna varivestris quando sono state condotte prove

– Con foglie tagliate – Con piante intatte

Continua

– Differenze sono state notate• Therioaphis maculata

– Vive bene su piante recise di erba medica trifogliata

– Vive meno bene su piante intatte di erba medica trifogliata

• Zonocercus variegatis – Rifiuta le foglie di Cassava di piante intere– Mangia rapidamente le foglie di Cassava dopo

un ora dalla loro scissione dalla pianta » Per il rapido calo di cianuro nei loro tessuti,

presente nelle foglie intatte

Variabilità entro insetti test

• L’età, il sesso e pretrattamento condizionanti l’insetto

– Sono variabili importanti da essere provate prima di procedere con la valutazione del materiale vegetale

• Il periodo di picco dell’attività dell’insetto test e il livello della infestazione dell’insetto sulle piante test

– Sono variabilità importanti da determinare prima di procedere con la valutazione del materiale vegetale

• L’età dell’insetto– L’età dell’insetto test è direttamente proporzionale alla

quantità di biomassa vegetale ingerita durante la valutazione della pianta

• Quindi l’età dell’insetto, che, molto accuratamente, mostra differenze tra cultivar resistenti e suscettibili, è adatto per evidenziare questi fatti

Epilachna varivestis –3 giorni dopo lo sfarfallamento si nutre sia di

piante suscettibile che resistenti –14 e 35 giorni dallo sfarfallamento le differenze

nella quantità di foglie consumato è significativa » Sebbene le differenze siano significative a 35

giorni dallo sfarfallamento, la quantità di individui che mangiano è solamente la metà di quelli di 14 giorni

• Il sesso degli insetti– Può influenzare il risultato di valutazione di resistenza della

pianta• Le femmine degli insetti fitofagi consumano più fogliame dei

maschi – Perché devono soddisfare le richieste di proteine per la

produzione delle uova– Perché l’attività di accoppiamento può interferire con l’attività

alimentare del maschio • Le femmine di Leptinotarsa decemlineata consumano in

modo significativo più fogliame sia di cultivar di pomodoro resistenti che suscettibili

• Le femmine di Lissorhoptrus oryzophilus mangiano cultivar di riso con differenti gradi di resistenza all’insetto in quantità maggiore dei maschi

– Gli insetti maschi e femmine rispondono diversamente agli allelochimici

• L’attrazione di Lissorhoptrus oryzophilus verso i composti volatili delle gemme fiorali di Trifolium spp. è più grande nelle femmine

• L’attrazione di Conopthorus ponderosa verso la resina delle pigne è maggiore nelle femmine in confronto ai maschi

• Il periodo di attività dell’insetto– Hypera postica è presente sulle piante

• In numero maggiore di giorno durante i mesi autunnali, invernali e primaverili

• In numero maggiore di notte durante i mesi caldi estivi– Cerotoma trifurcata su piante di soia in campo sono

• Meno abbondanti dalle ore 11,00 alle 13,00 • Più abbondanti dopo le ore 15,00

– Entrambi gli esempi indicano che • La valutazione di campo deve essere condotta

– Al momento in cui gli insetti test sono più abbondanti • Il campionamento della popolazione deve essere evitato

– Durante i periodi nei quali il tipo di attività e l’habitat preferenziale dell’insetto sono cambiati

• Il Livello di infestazione dell’insetto– La determinazione del particolare livello di

infestazione su piante test è necessaria per evitare di sovra o sotto stimarene la resistenza• Il punto di partenza, usualmente, è il livello

minimo di infestazione dell’insetto che causa un danno significativo alle piante

– Per eliminare rapidamente una grande quantità di piante in un programma di sceening per la resistenza • Si può porre sulle piante una infestazione più

pesante rispetto al normale

• I condizionamenti del presaggio – Le condizioni nelle quali gli insetti sono tenuti prima dei test ne

possono influenzare il comportamento durante la valutazione della resistenza della pianta

– Digiuno• L’attrazione di Dysdercus koenigii verso i semi di cotone aumenta

in proporzione al periodo di digiuno • L’attrazione di Schistocerca gregaria verso l’odore dell’erba

aumenta con il periodo di digiuno– Alimentazione su piante suscettibili

• Il sorgo suscettibile “RS671” causa una predisposizione di Schizaphis graminum ad alimentarsi su sorgo

– Alimentazione su piante differenti• Le larve di Heliothis zea alimentate con fogliame di alcune

cultivar hanno risposte alimentari differenti a estratti di “barbe del mais”

– Questo indica la necessità di standardizzare la dieta degli insetti utilizzati per valutare la resistenza delle piante

Variabili ambientali

La valutazione della resistenza delle piante è soggetta a variazioni causate da effetti ambientali

– Le variazioni sono dovute a cambiamenti nella• Illuminazione• Temperatura• Fertilità del suolo• Umidità del suolo• Agrochimici

Hyphantria cunea Listronotus bonariensis Sphenophorus parvulus

Zonocercus variegatis Lissorhoptrus oryzophilus Cerotoma trifurcata

Dysdercus koenigii Schistocerca gregaria Trichoplusia ni

• L’illuminazione– Fotoperiodo

• Un fotoperiodo lungo aumenta la resistenza di Lycopersicon hirsutum f. glabratum verso Manduca sexta

– Perché incrementa la produzione di 2-tridecanone, un allelochimico tossico all’insetto

• Sotto una illuminazione continua la cultivar di soia “Niyako White” perde la sua resistenza verso Trichoplusia ni

– Capacità che riacquista dopo due settimane passate sotto un fotoperiodo 16:8

– Qualità di luce• In cultiar di medica resistente agli insetti la diminuzine della

intensità di illuminazione riduce – La produzione di essudati da parte dei tricomi ghiandolari

• Nel sorgo la più bassa intensità di luce conseguente ad un cielo nuvoloso

– Ha come conseguenza un ridotta produzione di fenoli la cui concentrazione è direttamente correlata alla resistenza agli insetti

• Una ridotta intensità luminosa limita l’espressione di resistenza – Nel mais, barbabietola e soia

• La temperatura– Le alte temperature

• Nel grano ne diminuiscono la resistenza verso alcuni biotipi di Mayeticola destructor

• Nel sorgo ne diminuiscono la resistenza verso Schizaphis graminum

– Le basse temperature• In alcuni cloni di medica temperature al disotto di 10° – 15°C

rispetto a quelle normali di stagione ne esauriscono la resistenza verso Acrythrosiphon pisum

– Le temperature fluttuanti naturalmente• Nella medica la differenza di resistenza tra cloni resistenti e

suscettibili è più evidente sotto temperature fluttuanti rispetto a temperature costanti che rappresentano la media del regime di fluttuazione

• La fertilità del suolo– Fertilizzazione con azoto

• L’aumento di azoto nel terreno riduce la resistenza di piante resistenti di mais e di arachidi verso Spodoptera frugiperda

• L’aumento di azoto nel terreno incrementa la resistenza di piante di miglio verso Spodoptera frugiperda

– Fertilizzazione con fosforo• L’aumento di fosforo nel terreno incrementa

– La resistenza di piante di miglio verso Spodoptera frugiperda

– La resistenza di piante di medica verso Therioaphis maculata

– Fertilizzazione con potassio• L’aumento di potassio nel terreno incrementa la resistenza di

piante medica verso Therioaphis maculata • L’aumento di potassio nel terreno incrementa la resistenza di

piante di sorgo verso Schizaphis graminum – Per la valutazione della resistenza delle piante agli insetti è

necessario standardizzare la qualità e la quantità degli emendanti utilizzati per la crescita delle piante

• L’umidità del suolo– Una deficienza di umidità accelera il collasso delle

proteine delle foglie causando – Un aumento del contenuto di azoto nella linfa

floematica– Un aumento del contenuto di zuccheri nel floema in

seguito all’idrolisi dell’amido• Questo determina un aumento degli afidi che si

nutrono di quella pianta– Allo stesso tempo l’aumento della viscosità della

linfa floematica rende difficile l’alimentazione agli afidi

– L’umidità del suolo deve avere un valore il più possibile costante per una accurata misura della resistenza della pianta all’insetto

• I prodotti agrochimici– Applicazioni di erbicidi

• Il 2,4D (acido 2,4-Dichlorophenoxiacetico) utilizzato nella coltivazione della cultivar di grano “Selkirk” normalmente suscettibile a Cephus cintus ne incrementa di due volte la mortalità dell’insetto

– Applicazioni di regolatori di crescita delle piante • La cultivar di sorgo “BOK 8” normalmente suscettibile

a Schizaphis graminum quando è trattata con CCC [(2-cloroetil)trimetilammonio cloride] e con PIX [N,N-dimetilpiperidio cloride] aumenta la resistenza verso l’afide.

• In piante di cotone l’applicazione di PIX accresce la produzione dell’allelochimico gossipolo tossico per Heliothis virescens.

La risposta dell’insetto alla difesa della pianta

• Adattamento dell’insetto alle proteasi inibitrici della difesa della pianta– Il tratto digestivo degli insetti non è un semplice e passivo

bersaglio dei composti della difesa delle piante • Spesso possono adattarsi a questa sfida trattando con successo le

varie tossine e antimetaboliti nella loro dieta– I meccanismi di contro difesa coinvolgono

• Un ampio numero di geni in cellule che foderano il tratto digestivo, • Le proteasi digestive bersagliate dalle proteasi inibitrici

– L’adattano degli insetti alle proteasi inibitrici avviene per• Superproduzione delle proteasi digestive esistenti • Induzione selettiva di proteasi insensitive a quelle inibitrici

– Le larve di Callosobruchus maculates ritardate nel loro sviluppo dalla cisteina della soia inibitore della proteasi (scN) che ne sopprime l’attività enzimatica digestiva, sono capaci di inziare alcune strategie contro difensive

» Adattandosi a scN aumentando molto la loro capacità proteolitica attraverso l’espressione degli enzimi scN-sensitivi e scN-insensitivo ripristinando così la normale alimentazione e sviluppo Questo adattamento rende le larve di C. maculates capaci di idrolizzare e così inattivare scN

• Programmata regolazione di sviluppo di numerose proteine isoformi varianti la loro sensibilità a una specifica proteasi inibitrice

– Proteasi inibitrici di difesa delle piante possono inativarsi da se stesse per diretta frammentazione proteolitica

• La saliva dell’insetto sconfigge le difese della pianta– Gli insetti erbivori possono adattarsi alla pianta ospite sopprimendo

i primi eventi associati con la ricognizione della pianta e il segnale di traduzione

– Gli enzimi salivari che producono specie reattive di ossigeno (ROS) possono

• Distrugge il percorso octadecanoide per la sintesi di JA• Indurre la sintesi di SA un inibitore del percorso octadecanoide • Lo scoppio ossidativo è capace di ossidare la sistemina e una sua più

grande porzione può essere ossidata quando l’enzima glucosio ossidasi (GOX) è secreto nei siti di alimentazione

• L’enzima GOX nella saliva di Helicoverpa zea può prevenire la induzione della nicotina per inibizione diretta di JA

• L’enzima GOX inibisce l’attività della soia lipossigenasi– La saliva degli insetti che sconfigge le difese della pianta può

essere una caratteristica della corsa evolutiva agli armamenti tra piante e insetti

– Apparentemente gli insetti sono abili a sopprimere la resistenza indotta incrementando SA che inibisce la biosintesi di JA

• Elusione degli insetti fitomizi alla risposta della pianta al ferimento

– Gli insetti fitomizi emettono enzimi idrolitici quando si nutrono simili a quelli rilasciati dai funghi durante l’inserimento e l’accrescimento delle ife nei tessuti della pianta

– Su sorgo l’infestazione di Schizaphis graminum determina– Una forte induzione dei geni della resistenza ai patogeni (PR) indotta da SA

» Le cui proteine non hanno manifestato un ruolo diretto nella difesa della pianta dall’afide

» In piante di sorgo resistenti a S. graminum non si è verificata una maggiore attività di chitinasi e glucanase

– Una debole induzione da ferita e dei geni JA con scarso accumulo dell’ormone regolante mRNAs

– Un ridotta infestazione di S. graminum è stata osservata in semenzali trattati preventivamente con JA

» Questo suggerisce l’efficacia della difesa delle piante elicitata da JA contro l’infestazione di afidi

– Il sorgo quando è attaccato da afidi tende ad attivare difese inefficaci (segnale di trasduzione mediato da SA) e disattivare quelle efficaci

» Questa conclusione è supportata dal fatto che un certa quantità di afidi preferisce piante preinfestate alle sane, perché l’attività alimentare dell’afide oltre che provocare la difesa della pianta determina cambiamenti nel floema nutrizionalmente vantaggiosi

– L’orzo quando è infestato da S. graminum produce etilene– Su Arabidopsis l’induzione della risposta a Myzus persicae dipendente da SA non conferisce a

resistenza all’afide

• Alcune inadeguate attivazioni della espressione dei geni della difesa sono possibili– 1°) Gli afidi causano un minimo danno ai tessuti che potrebbe

produrre insufficienti livelli di JA per la induzione dei geni della difesa

– 2°) La forte induzione della risposta dipendente da SA può avere soppresso la via segnalante JA per interferenza

– 3°) La possibilità è che la ferita induca etilene endogeno che possa sopprime i geni indotti da JA

• Fenomeno osservato in numerose piante elicitato dalla saliva o da tessuti danneggiati

• Dirottamento da parte degli insetti dei meccanismi di difesa della pianta

– Gli insetti possono accrescere l’espressione degli enzimi disintossicanti citocroma P450s in risposta agli allelochimici della pianta

• Helicoverpa zea• Induce P450s dopo avere incontrato gli allelochimici della pianta può anche• Percepire le molecole segnale della pianta: JA e SA come segnali per regolare i

geni di questo enzima disintossicatore anche prima della biosintesi degli allelochimici nella pianta

– Questo segnale ofre una protezione di tipo profilattica contro la pianta molto sofisticata

– Le piante appartenenti alle Brassicace sintetizzano i glucosinolati prodotti secondari a bassa tossicità

• Quando l’enzima myrosinasi, un β-thioglucosidase, rimuovere il β-glucosio dai glucosinolati, da luogo a un prodotto intermedio instabile da cui possono trarre origine una varietà di prodotti tossici, che dissuado gli insetti ad alimentarsi, tra questi

– Il complesso glucosinolate-myrosinase il cosi detto “mustard oil bomb” che si forma quando i tessuti danneggiati mettono a contatto l’enzima myrosinasi con i glucosinolati

• Plutella xylostella un insetto specilista che si nutre di crucifere impedisce – La formazione della “mustard oil bomb” attraverso l’induzione dell’enzima

glucosinolate sulfatase che trasforma i glucosinolati i desolfati glucosinolati non più visibili all’enzima mirosinasi impedendo la formazione della “mustard oil bomb”

Biotipi di insetti che superano la resistenza della pianta

Il significato– Le proprietà protettive di cultivar resistenti agli

insetti • Possono essere soprafatte dallo sviluppo di biotipi

che posseggono una capacità a superare la resistenza della pianta insita nel proprio patrimonio genetico

• Questi biotipi sono il risultato di una selezione – Che si sviluppa da una popolazione parentale in

risposta alla esposizione a cultivar resistenti

• Biotipi di insetti – Popolazioni entro una specie che variano per la loro

abilità ad utilizzare una pianta coltivata – In alcune specie i biotipi sono distinguibili per

• La morfologia come in Nilaparvata lugens e Schizaphis graminum

• Il colore o la forma come in Acrythosiphon pisum e Macrosiphun avenae.

• Il comportamento alimentare• La preferenza dell’ospite• L’abilità a trasmettere virus• La resistenza a insetticidi

• Il tasso di sviluppo di biotipi di insetti resistenti è governato

• Dalla frequenza iniziale di geni che superano la resistenza della pianta

• Dalla intensità e durata della selezione • Dalla estensione geografica a cui le cultivar resistenti sono

piantate in mezzo a tutta una serie di ospiti dell’insetto• Dalle improprie pratiche agricole come

– L’eliminazione delle erbacce– La mancata rotazione– L’uso improprio di insetticidi

– Può succedere che la capacità genetica di un insetto a superare la resistenza della pianta è così grande che il valore della resistenza è annullato prima ancora che la cultivar resistente sia usata in modo molto esteso su basi geografiche

• Tale fenomeno si è verificato in popolazioni di Brevicoryne brassicae esposte a cultivar resistenti di cavoletti di Bruxelles

Distribuzione tassonomica dei biotipi• In relazione ai criteri menzionati 14 specie di insetti

mostrano biotipi capaci di superare la resistenza genetica della pianta agli insetti

• Queste specie sono– 9 afidi nei quali la riproduzione partenogenetica

contribuisce molto alla affermazione di questi biotipi– Mayetiola destructor e Orseolia oryzae che infestano le

ampie monocolture cerealicole mostrando un alto potenziale riproduttivo

– Nilaparvata lugens, Nephotettix virescens e N. cincticeps che si sviluppano continuamente su grandi monocolture di riso

Storia di casi di sviluppo di biotipiPiante da frutto• Due biotipi di Eriosoma lanigerum si sviluppano sulle

foglie di differenti cloni di melo in Australia– Il biotipo Clare (nativo) è avirulento su cultivar resistenti– Il biotipo Blackwood è virulento su cultivar normalmente

resistenti al biotipo Clare• Quattro biotipi di Aphorophora rubi sono differenziati su

differenti cultivar di lampone in Inghilterra – I geni per la resistenza ai biotipi 1, 2 e 3 sono stati identificati

• Tre biotipi di Dysaphis devecta sono stati identificati gene per gene su cultivar di melo in Inghilterra – I biotipi 1 e 2 sono avirulenti su “Cox’s Orange Pippin” che è

protetto dal gene Sd1– La resistenza al biotipo 1 c’è nella cultivar “Northern Spy” ed è

dovuta al gene Sd2– La resistenza al biotipo 3 in Malus robusta e M. zumi è legata al

gene Sd3

Legumi• Tre biotipi di Acrythrosiphon pisum sono stati trovati su

pisello in campo e in serra• Cinque biotipi di Acrythrosiphon pisum sono stati

differenziati per il colore, il peso e differente sopravvivenza su differenti specie di legumi

• Sei biotipi di Therioaphis maculata (A;B;E;F;H in Arizona e H in Nebrascka) sono stati identificati in base alla risposta differenziata al clone di medica “Moapa” – Lo sviluppo dei biotipi in Therioaphis maculata

pare abbia seguito una progressione gene per gene

• Sebbene l’analisi delle piante di medica è difficile per le condizioni di eterozigosi e tetraploidia

• Tre biotipi di Therioaphis maculata (C; D e G) sono resistenti ai fosforganici

Colture industriali• Cinque biotipi di Rhopalosiphum maidis (KS-1, KS-2,

KS-3, KS-4, KS-5) sono state trovate su mais– KS-2 è capace di sopravvivere su sorgo coltivato

resistente a KS-1– KS-3 è capace di infestare piante di grano– KS-4 è capace di riprodursi su piante di orzo a bassa

temperatura (13° C)– KS-5 è tollerante a una temperatura elevata (29° C)

ed è capace di nutrirsi su Triticum timopheevi resistente agli altri biotipi

• Biotipi di Nilaparvata lugens in coltivazioni di riso resistenti agli insetti nelle Filippine sono stati rilevati e identificati per

– Il differente comportamento alimentare indicato dal peso della melata raccolta dai tre biotipi

– La loro morfologia• Biotipi di Orseolia oryzae sono stati trovati in coltivazioni di piante di riso

resistenti all’insetto– Biotipi dell’insetto in Tailandia, Indonesia e India esistono, basando il

loro sviluppo e sopravivenza su un gruppo di cultivar provenienti dall’India e dalla Tailandia

– I biotipi Orissa e India aggrediscono solo le cultivar appartenenti al gruppo Eswarakora

– I biotipi Andhra Pradesh non aggrediscono le cultivar del gruppo Eswarakora e Ptb

– Il Biotipo proveniente dalla Tailandia è più virulento • Non aggredisce solo la cultivar Ptb • E’ più grosso ed ha meno grandi setole nell’addome rispetto al

biotipo proveniente dall’India

Biotipi di Schizaphis graminum infestanti cultivar resistenti di grano

– Il biotipo E è capace di svilupparsi sul biotipo “Amigo” resistente al biotipo C

– Alcune cultivar resistenti al biotipo C manifestano una resistenza di tipo antixenotica verso il biotipo E

– Il biotipo E ha un comportamento alimentare e una fecondità normale su cultivar resistenti al biotipo B

– Il biotipo E manifesta una superiorità fisiologica rispetto al biotipo C con un aumento dell’attività degli enzimi digestivi pectina metil esterasi e polisaccarasi e un tasso riproduttivo due volte superiore

– Il biotipo E richiede una scotofase più lunga per produrre maschi di quanto occorra al biotipo C

– Il biotipo F differisce dal biotipo E per l’abilità ad uccidere “Canada bluegrass”

– Il biotipo G non ha effetti sulla cultivar di orzo “Wintermalt” sensibile a tutti gli altri biotipi

– Il biotipo H può nutrirsi efficacemente sulla cultivar di orzo “Post” normalmente resistente a tutti gli altri biotipi

Lo sviluppo di differenti biotipi Mayeticola destructor è strettamente parallelo allo sviluppo delle cultivar di grano

– Il biotipo A è omozigote recessivo per la virulenza sulla cultivar “Seneca” (geni H7 e H8)

– Il biotipo B possiede un gene addizionale virulente ed è capace di distruggere la resistenza del gene H3 nella cultivar “Monon”

– Il biotipo C ha una reazione opposta al gene H3 nella cultivar di grano “Monon” e al gene H6 nella cultivar di grano “Knox”

– Il biotipio D è simile al biotipo B ma è anche virulento al gene H6 di “Knox 62”

– Il biotipo E è simile al biotipo C ma manca di virulenza quando è allevato sulla cultivar “Seneca” (geni H7 e H8)

– Il biotipo F reagisce similmente al biotipo C in risposta a geni H3, H5 e H6 e similmente al biotipo A in risposta ai geni H7 e H8

– Il biotipo G è avirulento in risposta ai geni H7 e H8 e si comporta come il biotipo D in risposta ai geni H3, H5 e H6

– I biotipi J e L sono entrambi virulenti al gene H5, mentre differiscono nella risposta al gene H6 resistente al biotipo J

Biotipi di Brevicoryne brassicae sono presenti • Su Brassica napus in Nuova Zelanda • Sui cavolini di Bruxelles in Inghilterra

Fattori che contribuiscono o impediscono la selezione del biotipo resistente dell’insetto

– Le cultivar con combinazioni di caratteri di antibiosi e antixenosi sono meno inclini a favorire

• Lo sviluppo di biotipi da insetti polifagi rispetto alle cultivar con solo caratteri di antibiosi

– Combinando differenti categorie di resistenza in una cultivar si può anche aiutare il rallentamento nello sviluppo dei biotipi

– Le cultivar tolleranti sono normalmente più stabili che quelle resistenti per antibiosi e antixenosi

• Una effettiva gestione pratica di insetti che superano la resistenza della pianta su cosa si basa? – Sull’uso di una cultivar con un quadro genetico di base

della resistenza• Questo si ottiene con lo sviluppo di cultivar con

resistenza orizzontale ciò esiste– In alcune cultivar di medica resistente al biotipo

“western” di Therioaphis maculata.– Nella cultivar del riso “IR36” che ha una

prolungata resistenza a Nilaparvata lugens » In seguito ad una resistenza orizzontale

espressa da alcuni geni minori– Nelle piante lo sviluppo della resistenza orizzontale

• E’ un processo che nel lungo periodo può essere un obiettivo estremamente sfidante per

– I produttori di piante – Gli entomologi

• La resistenza delle piante agli insetti come è stata conseguita con successo?

– Attraverso la resistenza verticale • Basata sulla realizzazione sequenziale di cultivar

con geni maggiori come– Nel grano a Mayeticola destructor

– Nel melo a Eriosoma lanigerum

– Nel riso a Nilaparvata lugens

Genetica e eredità di piante resistenti agli insetti

• Le conoscenze della genetica della resistenza agli insetti delle piante

• E’ importante specialmente se biotipi di insetti sono inclini a svilupparsi sulla cultivar soggetta ad indagine

– Queste conoscenze abilitano il miglioratore a sviluppare cultivar con ampie basi di resistenza

• Per il miglioratore è utile che la resistenza sia associata a un carattere morfologico della pianta

• La genetica della resistenza delle piante agli insetti è stata studiata fin dall’inizio del ventesimo secolo – Quando fu dimostrato che un carattere di resistenza a

Eriophyes gossypii nel cotone era ereditabile

Il metodo usuale per determinare l’espressione genetica della resistenza è

valutare la F2 derivata dall’incrocio tra genitori suscettibili e resistenti

• Diallel crosses (Croce diallel) – Coinvolge alcuni genitori resistenti e suscettibili usati anche in

studi ereditari – E’ utilizzato per indagare le basi genetiche dei caratteri quantitativi – Tutti i genitori sono attraversati per rendere ibridi in tutte le

combinazioni possibili • General combining ability di una cultivar a trasmettere

resistenza – La sua varianza può essere stimata dalla linea dei singoli mezzi

quando il complesso delle combinazioni coinvolge una determinata linea

– E’ primariamente una misura di effetti addizionali che sono sottomessi a selezione

– E’ determinata dal livello medio di resistenza delle piante F1 e F2 in tutti gli incroci che coinvolgono quella cultivar

• Specific combining ability– La sua varianza include il residuo così come la dominanza,

l’epistasi e gli effetti dell’interazione – E’ misurata dalla quantità di resistenza trasferita da una cultivar in

un singolo incrocio con solamente un altro genitore

• Una misurazione standard addizionale della espressione genetica della resistenza coinvolge– La determinazione della ereditabilità o la

variazione osservata nella progenie di un incrocio che avviene • Per gli effetti additivi di geni dalle piante

resistenti, dove differenti alleli contribuiscono – Alla resistenza – All’effetto epistasico (quando un gene ha un

effetto subordinato o sovraordinato rispetto a un altro gene) degli alleli

– Ai semplici effetti dominanti e recessivi

Metodi di miglioramento genetico usati per lo sviluppo della resistenza delle

piante agli insetti

Mass selection (Selezione di massa)• L’obiettivo è la selezione di sorgenti di resistenza in ciascuno dei cicli di selezione

• Questo obiettivo coinvolge – La selezione di individui resistenti di piante dopo

ciascuna generazione– La combinazione dei loro semi e la loro coltivazione

nella generazione successiva come un gruppo aggregato di piante

• Il più grande progresso nella resistenza è fatto nella selezione iniziale a cui seguono da 2 a 5 cicli addizionali di selezione

Il metodo è stato usato con successo per aumentare la resistenza della patata a Empoasca fabae

Linebreeding e pure line selection • Sono forme di selezione di massa che coinvolgono

– La selezione di individui resistenti di piante che sono cresciute separatamente

• In ciascun ciclo di selezione le selezioni resistenti sono autofertilizzate

– Se la resistenza è cercata in una impollinazione incrociata

• Le selezioni individuali sono interpiantate in un ulteriore ciclo di selezione per formare un incrocio composito di tutte le piante selezionate

Recurrent selection• Selezione ricorrente di geni favorevoli attraverso ripetuti

cicli di selezione • E’ usata per concentrare i geni delle piante resistenti

dispersi in parecchie differenti fonti– In ciascun ciclo sono raccolte le piante resistenti tra la

progenie prodotta dall’accoppiamento di individui resistenti

• Ottenendo con ciò un incremento del livello medio della resistenza

• Il metodo permette – La produzione di una cultivar resistente all’insetto con la

minima quantità di incroci – L’introduzione di resistenza a insetti addizionali da

differenti sorgenti nei cicli più recenti di selezione• Il metodo è stato usato per incrementare la resistenza in

piante di – medica, cotone, mais, patata dolce e rapa

Hybridization methods • Concede molta libertà nella selezione di fonti di resistenza

– Perché molti genotipi divergenti possono essere combinati per ottenere un alto livello di diversità genetica

• L’ibridazione consiste nella selezione della resistenza entro e tra una popolazione di piante test

– La procedura coinvolge • la selezione delle piante F2 per alti livelli di resistenza• la selezione di piante resistenti entro la famiglia

selezionata F3• la selezione per la resistenza dell’intera famiglia F4

F4 diventa più importante per migliorare i caratteri agronomici

F2 e F3 sono importanti per la selezione di alti livelli di resistenza e per una larga varianza genetica

Ibridazione: schema di incroci fatti sul riso per una resistenza multipla a Tryphoryza incertula, virus e ruggine batterica

Pedigree breeding•Descrive un protocollo da utilizzare durante l’incrocio di specie autoimpolinanti e a impollinazione incrociata nello sviluppo di linee omozigote

•Coinvolge la selezione di individui di piante in popolazioni segregantisi sulla base della resistenza all’insetto e alla genealogia

– Inizialmente è creato un ibrido e tutti i semi di F1 sono preservati e ripiantati– Le migliori piante F2 sono selezionate e piantate – Nella generazione F3 sono selezionati 25-50 semi delle famiglie resistenti– Nella generazione F4 un campione di ciascuna delle famiglie F3 resistenti

(semi di 50-100 piante) sono piantati e la selezione viene fatta entro ciascuna famiglia

– Nella generazione F5 campioni provenienti da famiglie resistenti F4 (semi di 50-100 piante) sono piantati e poi valutata la resistenza e la produzione per eliminare i soggetti inidonei per questo ultimo carattere

•Questo metodo di selezione ha lo svantaggio – Legato all’autoimpollinazione – Al fatto che solo un limitato numero di entrate possono essere processate

in seguito al tempo extra necessario per piantare raccogliere e l’acquisizione di dati per ciascuna entrata

•Il metodo è stato usato per aumentare nel riso la resistenza a Nephottetix virescens, Nilaparvata lugens

Pedigree breeding Diagramma schematico di un programma per la introduzione della resistenza di una pianta ad un insetto

Θ indica una pianta selezionata

Bulk breeding • La coltivazione di popolazioni geneticamente diverse di auto-impollinazione in una trama alla rinfusa, con o senza selezione di massa

• Metodo usato anche per incorporare la resistenza all’insetto in cultivar autoimpollinanti

– Il metodo è uguale a quello del Pedigree breeding • La selezione non avviene prima di F5

Backcross breeding • Un sistema per l'integrazione di tratti desiderabili

semplicemente ereditati• Coinvolge l’uso di incroci ricorrenti su uno dei parenti

(ricorrenti) di un ibrido accompagnato da selezione per la resistenza

– Il parente non ricorrente è una sorgente di resistenza all’insetto con un più alto livello di resistenza usato in un precedente incrocio

• Il metodo è stato usato per una rapida incorporazione di resistenza in cultivar suscettibili di importanza agronomica

• Nel riso per la resistenza a Nilaparvata lugens• Nella soia per la resistenza a Epilachna varivestis e

Heliothis zea

Backcross breeding Diagramma di un programma per trasferire la resistenza all’insetto da un parente non ricorrente in una cultivar suscettibile all’insetto:

Il parente ricorrente (RP). I punti nella progenie indicano la percentuale di materiale genetico (geni resistenti) che hanno contribuito al sorgere della resistenza

Fattori influenzanti le indagini sulla ereditarietà

– Fisiologia della pianta– Fattori genetici della pianta– Fattori ambientali– Limitazioni nelle risorse fisiche umane– La incompatibilità genetica e l’abbattimento

negli incroci in alcune cultivar ad impollinazione incrociata

• Può ridurre rapidamente il vigore della pianta in un programma di incroci

• Può determinare difficoltà a trasferimenti a donatori di piante parentali

Il tasso di progresso nella riproduzione e nelle ricerche sulla eredità

•E’ governato – Dall’azione additiva, recessiva, dominante e epistatica di geni– Dal numero di loci di geni per un dato fattore di resistenza– Dal fatto che la resistenza di una cultivar può cambiare con la sua

maturità• La progenie di incroci coinvolgenti piante resistenti e piante

suscettibili di differente maturità, può diventare molto difficile da selezionare

– Dalla quantità di semi necessaria per determinare adeguatamente l’eredità

– Dal numero di geni che sono coinvolti nella resistenza che è generalmente molto grande

• Per controllare questo processo è necessario – Ingrandire considerevolmente la popolazione di piante per

analizzare l’eredità– Avere controllato l’uniforme infestazione degli insetti– Avere disegni sperimentali che permettano

» Studi separati di meccanismi di resistenza che richiedono campionamenti distruttivi

Strategie per lo sviluppo di geni per la resistenza agli insetti

La resistenza poligenica • Ritarda la sviluppo di biotipi resistenti con maggiore dispendio

di tempo– Alcune cultivar di riso con resistenza a lepidotteri

minatori del culmo sono rimaste per alcuni anni senza lo sviluppo di resistenza ai fitofagi

La resistenza monogenica • Usualmente conduce ad una modalità di rilascio di cultivar

sequenziali– Con un gene differente – Con un arrangiamento di un gene

• Per rimanere un gradino più avanti della mutante macchina genetica dell’insetto dannoso

La resistenza orizzontale o poligenica (Resistenza di campo) •Utilizza un numero di sorgenti, ciascuna con un gene minore della resistenza, che sono mescolate e ammesse per l’incrocio•La resistenza orizzontale

– Generalmente è considerata più stabile di quella verticale – Non è rapidamente sopraffatta da biotipi di insetti distruttori di

resistenza•La resistenza orizzontale è ottenuta per

– Selezione– Accoppiamenti casuali per ottenere nuove combinazioni di geni– Selezione ricorrente per aumentare la frequenza dei geni della

resistenza•I Problemi potenziali che si presentano sono

• La mancanza introduzione di materiale genetico non collegati in una linea di allevamento di specie autoimpollinanti

• La necessità di una uniforme infestazione– Il problema nel riso e nel sorgo è stato parzialmente superato con

l’uso di linee maschio sterili resistenti agli insetti

Resistenza verticale o monogenica• Fa affidamento sull’effetto di un singolo gene maggiore

– Che causa un alto livello di resistenza a certi segmenti di popolazioni di insetti nocivi

• Questa resistenza è meno stabile di quella orizzontale – Perché può essere sopraffatta da biotipi di insetti

Opzioni per l’uso della resistenza verticale• 1° Rilascio di un gene maggiore fino a quando è efficace a costruire un

successivo (sequenziale) rilascio di geni addizionali– Il rilascio di cultivar sequenziale è stato usato per lo sviluppo di

geni in cultivar di riso resistenti a Nilaparvata lugens.• 2° Piramidare due o più geni maggiori in una cultivar

– Questa tecnica è stata usata per proteggere cultivar di riso (IR36) con resistenza a N. lugens.

– La rotazione di geni è stata usata per ostacolare lo sviluppo di biotipi di N. lugens

• Cultivar di riso con un determinato set di geni sono cresciute nel periodo umido della produzione

• Cultivar di riso con un differente set di geni sono cresciute nella stagione secca del periodo produttivo

• 3° Lo sviluppo e lo spiegamento di piante coltivate multilinee • Con combinazioni di geni resistenti maggiori e minori, per la

protezione contro gli insetti– Multilinee geografiche di grano resistenti a Mayeticola destructor

sono coltivate in differenti aree produttive degli USA

•Il modello di simulazione deterministico di Gould– Per predire quanto tempo un insetto dannoso richiede per adattarsi

a due fattori di resistenza antibiotica della pianta quando sono sviluppati

– Sequenzialmente come una cultivar multilinee – Piramidalmente in una singola cultivar

– I risultati indicano che le cultivar multilinee a due geni rilasciate sequenzialmente sono meno resistenti che le cultivar piramidate ma la loro resistenza è più duratura

– La durabilità di una cultivar piramidate è ulteriormente aumentata piantandone una percentuale del raccolto totale di una cultivar suscettibile all’insetto

• Una specifica simulazione basata sulla interazione Mayeticola destructor con grano resistente seminato in autunno conferma la predizione generale anzi detta circa l’uso di una combinazione di cultivar con due geni della resistenza piramidati e alcune piante totalmente suscettibili

• La resistenza dipendendo dalla iniziale frequenze dell’allele delle popolazioni di M. destructor

– E’ predetta per un minimo di 90 fino a 400 generazioni dell’insetto cioè da 45 a 200 anni

Effetto dell’impianto di cultivar resistenti a Mayesticola destructor a due geni piramidati in annuale alternanza con una cultivar suscettibile in proporzione di 1:1. (A) frequenza iniziale di 0,10 degli alleli a e b del dittero. (B) iniziale frequenza dell’allele di 0,04

• In contrasto modellizando la simulazione di tutti gli 8 geni coinvolti nella resistenza del grano a Mayeticola destructor si generano, qualche volta risultati differenti riguardo

– La mancata durabilità delle cultivar a gene piramidato rispetto al rilascio sequenziale delle cultivar rilascio

• In questa simulazione il rilascio sequenziale di un gene ogni 4 anni

– Mantiene una resistenza circa 10 volte più lunga • In confronto a quanto succede se la resistenza di

tutti gli 8 geni fosse stata piramidata in una singola cultivar e rilasciati simultaneamente

• Uno ulteriore svantaggio del rilascio di una cultivar con alcuni geni piramidati sono

– Il lungo periodo di sforzi per lo sviluppo della cultivar– Il rischio nel collocamento di tutti i geni conosciuti della

resistenza in una singola cultivar

Effetto dei geni del grano resistenti a Mayesticola destructor sul benessererelativo dell’insetto (W); (a) geni rilasciati simultaneamente in una cultivar, (b) geni rilasciati simultaneamente in 8 differenti cultivar, (c) geni rilasciati simultaneamente in cultivar separate ciascuna per 9, (d) geni rilasciati simultaneamente in cultivar separate ciascuna per 10. Hi = ciascuno degli 8 alleli della resistenza in (d)

Il modello di simulazione deterministico di F. Gould che predice la durabilità della resistenza del grano a Mayeticola destructor

– Tutti i valori sono generati su valori aspettati senza una partenza a caso– Sviluppa un modello di simulazione, per esplorare alcuni dei fattori ecologici

generali e genetici che possono influenzare la durabilità del germoplasma resistente all’insetto

– Esplora il sistema insetto che ha •Una semplice riproduzione diploide •Un accoppiamento a caso •Una generazione per coltivazione

– I maschi di Mayeticola destructor usualmente non mettono nel loro sperma i cromosomi dei loro padri

– I fattori esaminati includono•Il metodo di dispiegamento in campo del germoplasma resistente•La pressione selettiva imposta sulla popolazione dell’insetto dal fattore o fattori di resistenza

•Il modo di eredità delle caratteristiche nell’insetto per adattarsi al fattore o ai fattori di resistenza

•La frequenza iniziale di queste caratteristiche adattative nella popolazione dell’insetto

– La struttura di base del modello considera• Due fattori indipendenti di resistenza, a Mayeticola destructor che possono

essere incorporati singolarmente o insieme in cultivar di grano• Due loci, collegati o meno, che modificano l’effetto dei due fattori di

resistenza sull’insetto– Allele a al locus I è il codice per l’adattamento al fattore di resistenza I– Allele A è il codice per il mancato adattamento al fattore di resistenza I– Allele b al locus II è il codice per l’adattamento al fattore di resistenza II– Allele B è il codice per il mancato adattamento al fattore di resistenza II

– Il modello è stato esteso per seguire l’esistenza di due subpopolazioni M. destructor (X e Y) con migrazione di femmine accoppiate

– Il modello assume che la proporzione di uova nel campo Y che sono deposte da femmine originatesi nel campo X è direttamente legato alla densità relativa delle femmine nei due campi al momento della emergenza delle femmine

– Il modello assume, dove non è specificato, che il benessere dei genotipo di M. destructor AaBB, aaBB, AABb, e AAbb sono tutti eguali al benessere di AABB su piante di grano aventi entrambi i fattori di resistenza, nei casi in cui gli eterozigote sopravvivono sono spesso molto più piccoli degli omozigoti

Esplorazione del modelloTutte le piante devono avere almeno un fattore di resistenza

– Le strategie di base• Rilascio sequenziale di due cultivar pure con un fattore ciascuna• Piramidazione di entrambi i fattori in una cultivar pura • Mescolanza di semi che per il 50% hanno il fattore di resistenza I e il

restante 50% il fattore di resistenza II – Quando si assume la non dominanza e l’iniziale frequenze del gene dello 0.1

• La durabilità della resistenza è sempre meno che 9 generazioni dell’insetto (4,5 anni)

• La strategia della Piramidazione è meno duratura (1 generazione) che il Rilascio sequenziale

– Quando si Incrementa la dominanza degli alleli A e B • La strategia della Piramidazione è più duratura (16 generazione) che il

Rilascio sequenziale– Quando gli alleli a e b sono a bassa frequenza, il dominio di A e B e l’epistasi

tra i loci I e II tendono a rallentare il tasso di adattamento di M. destructor – Quando il dominio e l’epistasi sono presenti agiscono sinergicamente nel

diminuire la componente della variazione fenotipica dovuta ad una additiva varianza genetica

• Così la strategia del rilascio piramidato è predetta essere molto efficace alla frequenza del gene leggermente inferiore a 0,10

• L’effetto dell’addizione di piante totalmente suscettibili– La riduzione della pressione selettiva su genotipi non adattati di M.

destructor entro campi di grano • Potrebbe far aumentare la durabilità di ciascuna delle strategie di base

sviluppate • Potrebbero essere molto efficaci quando il dominio e l’epistasi sono i

componenti del benessere dell’insetto– Il mescolamento di semi resistenti con quelli sensibili nel rapporto 9:1 riduce

o annulla le perdite• Tenuto conto che il dittero opprime solo un numero limitato di piante e

che l’ovideposizione non è correlata con l’antibiosi delle cultivar – Un miscuglio di semi resistenti e suscettibili di 8:2 può proteggere

adeguatamente la coltura – Se il benessere relativo del dittero AABB sulle piante con uno o due fattori di

resistenza è di ca. 4% del loro benessere su piante totalmente suscettibili • il loro benessere medio (ω) in una piantagione

– ω con il misto 9:1 potrebbe essere (0,9)(0, 04)+(0,1)(1,0)=0,136 – ω con il misto 8:2 potrebbe essere (0,8)(0, 04)+(0,2)(1,0)=0,232

– Anche se il dittero AABB non sopravive su piante di grano resistenti il suo benessere in piantagioni con il misto 8:2 potrebbe essere 0,20 e questo potrebbe

• Ridurre la pressione selettiva e provocare il maggior numero delle inizialmente molto rare forme del genotipo aabb ad accoppiarsi con quello AABB causando il disfacimento dei genotipi adattati

• Un singolo fattore di resistenza più piante suscettibili– Mescolando il 20% di semi di piante di grano suscettibili con l’80% con

quelli di piante con un singolo fattore di resistenza si è estesa la durabilità del germoplasma sequenzialmente rilasciato specialmente se c’è dominanza degli alleli A e B

• In tale situazione la durabilità è due volte maggiore che i piantagioni con il 100% di piante con un singolo fattore di resistenza

• Due fattori di resistenza piramidati più piante suscettibili– Il modello predice che se si assume una frequenza iniziale di a e di b

dello 0,10 e una forte dominio di A e di B lo sviluppo delle piante grano resistenti mescolate con il 10 o il 20% di piante totalmente suscettibili potrebbe portare la resistenza ad almeno a >50 e >100 generazioni rispettivamente

– Anche con solamente un parziale dominio di A e di B la durabilità è grandemente aumentata dalla strategia della piramidizzazione coinvolgente il 20% di piante totalmente suscettibili

– Se si assume un forte dominio e epistasi con a e b con una frequenza iniziale di 0,05

• La durata della resistenza supera le 400 generazioni. Questa indefinita durabilità succede anche se la frequenza iniziale di 0,01 è assunta con solo parziale dominio o parziale epistasi

• Effetti materni– L’effetto materno sulla sopravivenza delle larve eterozigote è

importante per esplorare il possibile effetto di questa caratteristica sulla durabilità

– La simulazione di un effetto extra cromosomico materno può causare una riduzione nella durabilità dei fattori di resistenza simile a quella dovuta a un incompleto dominio di A e B

– Nel modello fu assunto che fino a quando l’allele adattato fu dato dalla madre ci può essere un costante effetto maternale

• Gli effetti differenti sul benessere di maschi e femmine– La simulazione indica che incrementando il benessere nella femmina

eterozigote si riduce la durabilità più che con un uguale incremento di benessere nel maschio eterozigote

• Quando il benessere della popolazione di 0,80 è il criterio usato per misurare la durabilità

– Una ulteriore complicazione si ha quando l’aumento del benessere delle femmine determina un incremento nella nel tasso di crescita della popolazione mentre un incremento del benessere del maschio eterozigote a poco o nessuno effetto sul tasso di crescita della popolazione a meno che non causi un aumento nella percentuale delle femmine non accoppiate

• Gene connessione– Le precedenti conclusioni sono legate al fatto che non c’è un connessione gene

strutturale tra i loci, ma poiché è assunto che i maschi generalmente non usano i componenti dei padri nella produzione dello sperma

– Il componente genetico della femmina nel maschio è assunto essere passato senza effetti nella ricombinazione

• Ad esempio se non c’è perdita di geni parentali e la femmina è AABB mentre il padre è aabb il 25% dello sperma dei maschi discendenti potrebbe essere ab, mentre con la perdita del gene parentali 0% dello sperma potrebbe essere ab

• Con la perdita del gene parentale il tasso di formazione del genotipo aabb è raro quando a e b sono rari ma potrebbero preservare loro una volta formati

– Nel modello M.destructor la perdita del gene paternale causa una debole più rapido adattamento della popolazione del dittero nel sistema a dispiegamento piramidato quando è assente una connessione gene strutturale (21 generazioni nel modello generale diploide, 17 generazioni in quello M.destructor)

– Quando il tasso di ricombinazione è per una mancata ricombinazione a caso la durabilità del sistema piramidato è sostanzialmente diminuita

– Quando c’è una completa connessione tra due loci del dittero, ma non un disequilibrio di connessione tra gli alleli a e b le cultivar piramidate dureranno tre volte così a lungo quanto ciascuna singola cultivar con un singolo fattore di resistenza

– L’inziale disequilibrio di connessione degli alleli a e b potrebbe influenzare la durabilità della cultivar piramidata e della seconda cultivar nel rilascio sequenziale

• Se a e b sono in disequilibrio di accoppiamento la durabilità potrebbe decrescere

• Se a e b sono in disequilibrio di repulsione la durabilità potrebbe aumentare

• Modello a due campi con migrazione– Lo sviluppo della strategia considerata coinvolge

• Cultivar pure o misture dove le piante di grano di differente resistenza sono distribuite a caso nel campo

• Le misture sono piantate come matrici di appezzamenti di cultivar pure che superano i 100mq l’accoppiamento a caso dei ditteri che sfarfallano non è assicurato

– L’estensione degli incroci entro la generazione delle sub-popolazioni in campi adiacenti dipende dal comportamento di movimento dei maschi durante la loro vita riproduttiva e da quello delle femmine durante le prime ore di vita

– Se lo sviluppo del dittero è più lungo su una cultivar rispetto ad un’altra l’accoppiamento a caso è ulteriormente distrutto

– Le femmine generalmente vanno più lontano dei maschi ed per il flusso dei geni è molto importante il movimento delle femmine dopo l’accoppiamento

– Nel modello a due campi la densità iniziale del dittero è uguale • La crescita e il declino della popolazione è basata su un semplice

modello esponenziale con generazioni discrete nelle quali il tasso di restituzione R0 è direttamente correlato alla media di sopravvivenza delle larve in un campo

Modello a due campi con impiantamento alternato di una cultivar con due fattori di resistenza piramidati e una cultivar suscettibile nei campi comparati a 1:1 mistura randomizzata di piante resistenti e suscettibili in entrambi i campi.(a sinistra) la frequenza iniziale di a e b è 0,10; ωaaBb e ωAabb su piante resistenti sono 0’28, la linea alla base descrive il basso cambiamento nella sequenza degli alleli quando è usata una mistura randomizzata di semi 1:1. Con una mistura 1:1 92 generazioni sono richieste prima che ω arrivi a 0.80 (a destra) lo stesso co A, eccetto che ωaaBb e ωAabb sono uguali a ωAABB = 0,04; con una mistura 1:1 sono necessarie 435 generazioni prima che ω arrivi a 0.80

• Effetti della scala spaziale di interpiantamento sulla durabilità– Se si assume che una metà del grano in un area è piantato con cultivar

resistente a un singolo fattore o piramidata e l’altra a cultivar totalmente sensibile

– Due tipi di impiantamento sono possibili• Il primo implica la metà del dei campi impiantati con cultivar di grano

resistenti e l’altra con cultivar sensibili• Il secondo implica che tutti i campi siano impiantati con una mistura

randomizzata di semi la metà dei quali è resistente e l’altra metà suscettibile

– Incorporando la migrazione nel modello due campi si può comparare la durabilità di queste due strategie

• La mistura 1:1 di semi di grano piramidato e suscettibile è specialmente vantaggiosa perché conduce in alcuni casi ad una resistenza quasi indefinita

• La durabilità a livello di campo della “mistura” è strettamente legata al tasso di migrazione (1-10%) e la interazione del tasso di migrazione con la diminuzione della grandezza della popolazione del dittero nel campo con il grano resistente

• La grandezza della popolazione del dittero nel campo suscettibile diventa molto più alta gli insetti migranti dal campo suscettibile elimina il non comune adattato genotipo nel campo resistente

– Questo può condurre a una diminuzione della percentuale di sopravvivenza nel campo resistente

• Alternanza di piante resistenti e suscettibili– Il grano resistente è sempre piantato nel campo X e quello

suscettibile nel campo Y questo conduce ad una bassa abbondanza del dittero nel campo X e nessuno fattore riducente la popolazione nel campo Y

– In questa situazione l’agricoltore può decidere di limitare il danno da M. destructor rotando l’uso delle cultivar resistenti tra i campi

– Tale rotazione potebbe fare decrescere la durabilità della resistenza perché ditteri con alcuni alleli resistenti potrebbero essere condotti ad incrementare molto durante altre generazioni

– Addizionalmente la grandezza della popolazione in entrambi i campi potrebbe essere la stessa, così la migrazione potrebbe essere importante

• La durabilità in questa situazione potrebbe essere più alta che dove fu usato un diffuso piantamento di grano resistente, ma la durabilità aspettate nella mistura randomizzata 1:1 potrebbe essere molto più basso da >90 a >400 generazioni

Cephus cintusMacrosiphun avenae Brevicoryne brassicae

Orseolia oryzae Nephotettix cincticeps Eriosoma lanigerum

Dysaphis devecta Chrysodeixis eriosoma Tenebrio molitor

• Il modello è utile per predire qualitativamente e non quantitativamente la durabilità in un specifico sistema raccolto/infestante

• Il modello indica che in futuro potrebbe avere valore piramidare due o più geni del grano per la resistenza a M. destructor in una cultivar e piantando semi di questa mescolati con quelli di una cultivar sensibile

• La possibilità di incrementare la durabilità sarebbe più alta – Se fosse data attenzione nella scelta dei geni

resistenti nel grano per i quali i geni della virulenza di M. destructor non appaiono essere strutturalmente connessi e inizialmente a bassa frequenza

– Con l’impiego del 50% di piante resistenti rispetto al 90% di queste

L’INGEGNERIZZAZIONE DELLE PIANTE PER LA RESISTENZA AGLI

INSETTI

Gli ogm, ultima frontiera della scienza di Borlaug (miglioratore dei principali cereali per la resa e le qualità), hanno certamente dei nemici a cui lui diceva:

“La storia della terra e lo sviluppo dell’uomo si basano sugli organismi geneticamente modificati. I rischi dell’oggi, se rischi ci sono, devono essere messi sulla bilancia assieme a milioni di vite salvate. Questi sono il male minore che evita a milioni di persone nel mondo di morire di fame, il punto è che la ricerca deve essere affidata a centri pubblici e non privati”

Ingegnerizzazione genetica delle piante per l’espressione della tossina

Bt

Modalità di azione del Bt• Le spore del Bt contengono una protossina proteica o cristallo

codificata dal gene (cry) presente su un plasmidio del batterio • L’ingestione di spore da parte dell’insetto fa sì

– Il cristallo si dissolva – La protossina sia legata da una proteinasi dell’intestino

dell’insetto in modo da generare la tossina attiva del Bt– La tossina attiva si lega a uno specifico recettore glicoproteico

situato nella membrana delle cellule dell’intestino – La tossina interagisce con la membrana cellulare inserendo parte

delle proprie molecole a formare un canale nella membrana • Questo permette il libero passaggio degli ioni

– La tossina crea canali destabilizzanti il bilancio della concentrazione ionica stabilita attraverso le membrane

• Questo determina la morte e la lisi delle cellule dell’intestino • Le tossine del Bt formano una grande serie di performanti insetticidi

naturali – La tossina Cry 1 è comunque il tipo più comune

• La strutturazione di piante transgeniche che esprimono queste tossine è complicato

– Sono state necessarie considerevoli modificazioni ai geni delle tossine del Bt

• Per ottenere adeguate espressioni nel conferimento di resistenza delle piante transgeniche verso gli insetti

• Due tipi di modificazioni sono state necessarie – Alterazione della sequenza delle proteine della

tossina del Bt– Alterazione della sequenza dei geni

• Alterazione della sequenza delle proteine della tossina del Bt

• Il gene della tossina Bt è codificato per una protossina – La regione N-terminale della proteina codificata

mostra significative omologie di sequenza – La regione C-terminale è molto più variabile sia in

sequenza che in lunghezza • Le regioni N-terminali sono resistenti ai legami

proteolitici e formano la parte tossica della protossina – Queste contengono una sequenza altamente

conservativa di aminoacidi al C-terminale della processata tossina attiva che sembra agire

• Come un sito di processamento per l’attivazione della protossina

• La struttura della tossina proteica del Bt contiene tre domini

• Il primo dominio (N-terminale) contiene approssimativamente 250 aminoacidi e forma una banda elicoidale con 6 α-eliche che ricoprono una α-elica

– Questa parte della molecola è responsabile della formazione dei pori nelle cellule epiteliali dell’intestino dell’insetto, una volta che è capace di inserire se stessa dentro il doppio strato lipidico

• Il secondo dominio, di approssimativamente 200 aminoacidi, consiste di tre nastri – E’ responsabile del legame al recettore glicoproteico sulla superficie

determinando con ciò la specificità d’azione della tossina• Il legame sulla superficie appare essere necessario affinché ci sia una

effettiva formazione di pori– Esperimenti di ingegnerizzazione di proteine hanno mostrato che

scambiando il dominio II fra differenti tossine cambia anche la specificità dell’azione tossica delle tossine

• Il terzo dominio, di approssimativamente 150 aminoacidi, è ancora prevalentemente composto di β nastro, ripiegato in β-sandwich

– Non ha un chiaro ruolo funzionale • Può essere responsabile della stabilità di struttura dell’intera molecola • Può determinare specificità nella formazione di pori

Geni di tossine Bt contenenti protossine complete codificanti sequenze in piante

Sono stati espressi geni di tossine troncate che codificano solamente la regione N-terminale delle proteine contenenti le tossine attive

• I livelli di espressione delle molecole di tossine attive erano

– Una o due volte più alte in magnitudine nelle piante transgeniche

– Più del 0,01% delle proteine totali • Questo livello di espressione mostra che le piante

transgeniche esprimenti la tossina Bt aumenta la resistenza agli insetti fitofagi

–Negli esperimenti iniziali furono prodotte • Piante di tabacco che esprimendo varie tossine Cry1A diminuivano

la sopravvivenza delle larve di Manduca sexta• Piante di pomodoro trasformate che esprimevano Cry1A erano

protette dalle larve di Helicoverpa armigera e Heliotis zea

Alterazione della sequenza dei geni• Geni codificanti tossine Bt furono ricostruiti da

combinazione di mutagenesi e sintesi oligonucleotidica per produrre geni sintetici– I geni codificano le stesse proteine, ma hanno codoni

tipici per il genoma della pianta, così tutti i processi di segnali aberranti erano rimossi

• Il livello di espressione delle tossine Bt di questi geni sintetici fu incrementato nell’ordine di grandezza di due volte (più dello 0,3% delle proteine totali) quando fu espresso in piante transgeniche – A questo livello di protezione offerta dall’espressione

delle tossine Bt sono simili a quelle ottenute con insetticidi chimici

• Con mortalità delle specie di insetti suscettibili del 100% per un lungo periodo di tempo

Esempi di piante transgeniche resistenti agli insetti esprimenti la tossina Bt

• Nel cotone e nel mais transgenico il gene modificato cry1Ab è stato utilizzato per il controllo dei lepidotteri fitofagi – Pectinophera gossypiella, Heliothis virescens,

Elicoverpa armigera e Ostrinia nubilalis. • Nella patata le piante ingegnerizzate per l’espressione del

gene modificato cry3A sono state fatte per il controllo di – Leptinotarsa decemlineata

• Nella patata il gene cry1Ab è stato utilizzato per proteggere in immagazzino i tuberi dalle larve di lepidotteri

• Nel riso, le piante ingegnerizzate per l’espressione dei geni modificati cry1Ab e cry1Ac per combattere rice stem borer

Piante transgeniche che esprimono inibitori degli enzimi digestivi degli

insetti

Gli inibitori delle proteinasi• Il legame o aggancio è accompagnato da idrolisi del

legame peptidico nell’inibitore – Che determina la propria specificità attraverso

particolari tipi di proteasi • L’inibizione di enzimi digestivi

– Ha un effetto diretto sullo stato nutrizionale dell’insetto – Determina una sintesi eccessiva di enzimi digestivi

• Dovuta a un meccanismo di feedback messo in atto nel tentativo di utilizzare il cibo ingerito

• Il ruolo degli inibitori di enzimi nella difesa delle piante da insetti è fornita dai siti di sintesi e accumulo di queste proteine – Normalmente accumulate nei tessuti di riserva, come

semi o tuberi, e possono raggiungere concentrazioni del 2% delle proteine totali

Piante transgeniche esprimenti inibitori della serina-proteinasi

• Il Bowman-Birk inibitrice della serina-proteinasi del fagiolo dall’occhio (Vigna anguiculata)

– Il primo gene originario di una pianta che fu trasferito su un’altra specie di pianta con l’obiettivo di migliorare la resistenza a insetti

– Questo contiene due siti di inibizione attivi contro la tripsina bovina (CpTI)

– Un semplice costrutto fu preparato dove la lunghezza totale della sequenza era derivata da un clone di cDNA che era sotto il controllo del promotore 35S del virus del mosaico del Cavolfiore (CaMV)

• Il gene inibitore II del pomodoro (che codifica un inibitore di tripsina con alcune attività inibitorie della chimotripsina), quando è espresso in tabacco

– Mostrava di conferire resistenza agli insetti solo quando veniva usato il promotore CaMV 35S

• Ma non quando veniva utilizzato il promotore inducibile da ferita – Simili risultati sono stati ottenuti con il PI-II della patata quando

espresso in tabacco contro Chrysodeixis eriosoma.

Inibitore delle proteinasi Pianta trasformata

Fitofago target

CpTI (cowpea trypsin inhibitor)

tabacco Heliothis virescens

riso Chilo suppressalis, Sesamia inferens

patata Lacanobia oleracea

fragola Otiorhynchus sulcatus

PI-II (potato proteinasi inhibitor II)tabacco Manduca sexta, Chrysodeixis eriosoma, Spodoptera exigua

Riso Chilo suppressalis, Sesamia inferens

NaPI (Nicotiana alata multi-functional inibitor)

tabacco Helicoverpa punctigera

SKTI (soya bean Kunitz trypsin inhibitor) patata Lacanobia oleracea

OC-I (riceoryzacystatin) pioppo Chrysomela tremulae

Insect Serpins (Manduca sexta haemolymph proteinasi inhibitors)

tabacco Bemisia tabaci

Piante transgeniche che esprimono inibitori della cisteina-proteinasi

I geni codificanti inibitori della cisteina-proteinasi nel controllo di coleotteri in piante transgeniche

– Sono stati evidenziati gli effetti deleteri che questi inibitori hanno verso specie di coleotteri una volta che sono stati incorporati nella loro dieta artificiale

– Tuttavia ci sono ancora pochi dati pubblicati che descrivono il loro effetto insetticida sulla pianta

• Un esempio è l’uso del gene codificante l’inibitore cisteina-proteinasi, oryzacystatin, che è stato espresso costitutivamente

– In pioppi transgenici, che hanno acquisito la resistenza alla specie Chrysomela tremulae

Piante transgeniche che esprimono inibitori di amilasi digestive

Inibitori di α-amilasi di insetti • Sono largamente distribuiti nelle piante

– Dove sono accumulati in tessuti simili a quelli degli inibitori di proteine (sebbene essi non siano coinvolti nella risposta al danno)

• Queste proteine svolgono un probabilmente un ruolo nella resistenza ai lepidotteri dannosi

• Queste proteine svolgano una attività insetticida significativa verso coleotteri fitofagi, soprattutto di granaglie

– Per esempio inibitori di α-amilasi purificate da grano e da Phaseulus vulgaris hanno mostrato essere tossici verso specie di coleotteri, che normalmente si nutrono di queste specie, quando inserite in una dieta artificiale

• L’inibitore di α-amilasi di Phaseulus vulgaris è codificato da un gene chiamato llp

• Il gene chimerico consiste – In una sequenza codificante del gene della lectina che

codifica llp – Nelle sequenze 5’ e 3’ fiancheggianti del gene che

codifica la sub unità della lectina – phα-2 è stata costruita ed espressa in tabacco

• Il promotore in questo costrutto è seme-specifico in modo che il prodotto transgenico sarà solamente accumulato nei semi

– I semi provenienti da queste piante trangeniche che esprimono l’inibitore α-amilasi del fagiolo contengono l’attività inibitrice contro la α-amilasi porcino pancreatica

• La α-amilasi presente nell’intestino medio di Tenebrio molitor

Piante transgeniche resistenti agli insetti che esprimono lectine

• Le piante accumulano le lectine in alcuni tessuti di riserva– Semi, bulbi e corteccia

• Questi tessuti possono accumulare valori superiori all’1% delle proteine totali

– La distribuzione delle lectine è universale, ma la quantità accumulata varia fortemente

• Le lectine sono coinvolte – Nella interazione fra cellule– Nell’interazione fra le piante e i batteri simbionti

• Rizogenes spp. che fissano l’azoto

• Le lectine hanno un ruolo di proteine di riserva – In seguito alla quantità accumulata in eccesso rispetto a

quella richiesta per il suo ruolo nell’interazione fra cellule

• Le lectine – Legano specificatamente residui di carboidrati

• Sia di zuccheri liberi e sia, più comunemente, oligo o polisaccaridi

– Sono distinte dagli enzimi • Non avendo azione sui carboidrati tranne che sul legame fatto da loro

stessi– Contengono siti multipli di legame

• Così possono legare a oligo o polisaccaridi – Il legame specifico ai residui di carboidrati non è un indicatore

delle sue proprietà insetticide• Le lectine

– Sono anche chiamate aglutinine da quando il cross-linking di catene laterali di carboidrati sulla superficie cellulare delle glicoproteine, conduce alla formazione di aggregati di cellule ed a una visibile agglutinazione di cellule come i globuli rossi

• Molte lectine – Sono tossiche verso gli animali superiori

• Questo enfatizza la possibilità che queste proteine simili a enzimi inibitori

– Facciano parte dei meccanismi di difesa delle piante contro gli insetti, altri parassiti e patogeni

• Le lectine – Si legano alle cellule dell’intestino in un numero di specie – Questo non è sufficiente a produrre tossicità

• Le lectine – Possono legarsi alla membrana peritrofica dell’intestino

medio dell’insetto• Questo può causare il blocco fisico della membrana

peritrofica interferendo con l’assorbimento del cibo • Il legame avviene attraverso specifici glicopolipeptidi

– Non è chiaro se la specificità di legame può essere correlata alla tossicità, visto che recettori non sono stati caratterizzati

• Le lectine – Possono essere trasportate attraverso le pareti

dell’intestino nell’emolinfa dell’insetto • Così l’effetto sistemico può essere importante nella

tossicità delle lectine

Le lectine • Sono attive contro gli omotteri fitofagi non suscettibili, in genere, agli

inibitori delle proteinasi – Alcune lectine causano un significativo decremento della

sopravvivenza Nilaparvata lugens– Le due proteine più attive sono le lectine della snowdrop (GNA;

mannosio-specifiche) e del “germe di grano” (WGA; GlcNAc-specifico)

• La lectina “snowdrop” (GNA) è molto tossica verso la cicalina verde del riso Nephotettix cinciteps

• La lectina “snowdrop” (GNA) inibisce lo sviluppo di Myzus persicae e dell’afide della patata, Aulacorthum solani, sebbene l’effetto sulla sopravvivenza siano modesti

• La lectina “snowdrop” (GNA) riduce significativamente la crescita e ritarda lo sviluppo quando è presente nella dieta di Lacanobia oleracea nella concentrazione del 2% delle proteine totali

• La lectina di Canavalia ensiformis (Con A) è molto tossica verso l’afide del pisello Acyrthosiphon pisum con effetti sulla crescita e sulla sopravvivenza

• La lectina del “germe di grano” (WGA) è causa di mortalità per l’afide del cavolo Brevicoryne brassicae quando è incorporata nella dieta artificiale

La lectina snowdrop (GNA) in tabacco e riso• E’ stata espressa nel floema

– Utilizzando un gene costruito contenente la sequenza codificante GNA guidata dal promotore (RSs1) del gene saccarosio sintetasi del riso

– Il promotore RSs1 dirige l’espressione del gene reporter gus nel tessuto floematico delle foglie, culmi, piccioli e radici delle piante di tabacco transgeniche

• Questo può essere utilizzato per produrre costrutti dove l’espressione del gene insetticida è ottimizzata per la protezione di piante transgeniche verso gli omotteri fitomizi

• Il riso transgenico contenente il costrutto RSs1-GNA ha mostrato di accumulare GNA in tessuti vascolari ed epidermici

– Riduce la sopravvivenza di Nilaparvata lugens

• Nelle piante transgeniche che esprimono lectine

– Il livello di protezione raggiunto verso i fitofagi target non è generalmente abbastanza alto per essere commercialmente sviluppate

• Le piante transgeniche che esprimono lectine

– Possono giustificarsi per quelle colture transgeniche con parziale resistenza che possono trovare posto in agricoltura

– Specialmente se la resistenza prodotta dalla lectina transgenica fornisce additività agli esistenti geni endogeni di resistenza parziale

Piante transgeniche resistenti agli insetti che esprimono enzimi

La lipossigenasi – Ossida gli acidi grassi insaturi a lunga catena nei loro

perossidi– E’ responsabile della sviluppo di irrancidimento della

farina di legumi• L’espressione di geni di lipossigenasi è indotta da

ferita e dall’attacco di patogeni in molte specie di piante

• La lipossigenasi è considerata parte del sistema di difesa endogena della pianta, sebbene non è ancora chiaro esattamente quale ruolo svolga esattamente

– E’ tossica verso le larve di lepidotteri quando è somministrata in dieta artificiale

La colesterolo ossidasi fu identificata come– Proteina insetticida su larve di coleottero

Gestione della resistenza attraverso l’evoluzione ingegnierizzata

La gestione della resistenza – Tenta di prevenire nei nemici naturali l’evolvere

della contro resistenza alle cultivar resistenti • Possibilità in molti casi impossibile

• Attualmente sono state sviluppate strategie che teoricamente – Rallentano l’evoluzione della contro resistenza

prolungando i benefici della resistenza genetica ingegnerizzata

• Con queste strategie i biologi sperano di ridirigere il corso della evoluzione

• La Tecnica dell’alta dose/strategia rifugio (HDR)

• L’HDR (high-dose/refuge strategy) coinvolge – L’ingegnerizzazione di una cultivar

• Per produrre una alta dose di una tossina– La piantagione mista

• Di una varietà suscettibile e di una resistente

• Il funzionamento della strategia HDR si basa su– Alcuni principi di base dell’evoluzione

Primo principio evolutivo • Il tasso al quale un allele vantaggioso aumenta in frequenza

in una popolazione dipende fortemente dal suo grado di dominanza – Un allele completamente recessivo

• Si diffonde molto più lentamente che un allele dominante o additivo

– Perché inizialmente è presente in forma eterozigote ed è protetto dalla selezione.

• La parte “alta dose” della strategia è rivolta ad assicurare che gli alleli che conferiscono una controresistenza siano effettivamente recessivi anche se

• La DL50 dell’eterozigote è intermedia fra quella degli omozigoti – Nei quali la contro resistenza non è ne dominante ne recessiva

• Una dose abbastanza alta della tossina – Ucciderà ancora più del 99 % degli eterozigoti, rendendo la contro

resistenza effettivamente recessiva

Secondo principio evolutivo• Il tasso di incremento nella frequenza degli alleli deve

essere proporzionale alla differenza nella fitness tra genotipi • Il “rifugio”

– E’designato alla lenta diffusione di un allele della controresistenza • Per ridurre la differenza del benessere tra gli omozigoti per

questi alleli e gli altri genotipi• Il “rifugio”

– E’ fornito dalle piante non resistenti che permettono agli insetti suscettibili di riprodursi in modo sostanziale

• Anche con un piccolo “rifugio” le differenze nel benessere sono marcatamente ridotte, ritardando fortemente il tasso di incremento dell’allele di controresistenza

• Il “rifugio” – Produce insetti abbastanza suscettibili – Riduce fortemente la probabilità che i rari insetti controresistenti

accoppiandosi con ciascun altro producano una discendenza controresistente

Terzo principio evolutivo• In molte situazioni L’HDR può posporre l’evoluzione della contro

resistenza indefinitamente • La contro resistenza alle tossine è spesso costosa

– Come è evidenziato dalla rapida eliminazione della contro resistenza ad un pesticida quando il suo uso è discontinuo

– Il costo se manifestato in eterozigoti riduce la loro fitness totale al di sotto di quella degli omozigoti suscettibili

• Gli omozigoti suscettibili tenderanno a prevenire gli alleli che conferiscono alla contro resistenza la incapacità di incrementare la loro frequenza quando sono rari

• La mancata conoscenza di come la contro resistenza è spesso costosa negli eterozigoti impedisce – La predizione di come la resistenza geneticamente

ingegnerizzata è evolutivamente stabile per periodi indefiniti sotto la strategia HDR

Le predizioni teoriche di questa strategia poggiano su assunzioni non provate circa le basi biologiche degli insetti dannosi

• L’assunzione è che l’organizzazione spaziale dei rifugi può essere disegnata per assicurare

• Un indiscriminato accoppiamento a caso– L’accoppiamento a caso e indiscriminato può essere compromesso

» Anche se la superficie è grande tanto da condurre ad una preponderanza degli accoppiamenti entro la stessa superficie

– Tali accoppiamenti assortiti producono relativamente più omozigoti contro resistenti e meno eterozigoti

» Riducendo l’efficacia della recessività (quando, in un individuo eterozigote, il carattere indotto dall'allele in questione non si manifesta fenotipicamente) nel rallentamento dell’evoluzione della contro resistenza assortita

• Una restrizione delle forme giovanili verso le piante certamente tossiche e non tossiche

– Lo stretto mescolamento di piante tossiche e non tossiche può permettere a insetti mobili di nutrirsi su una mistura di piante diluendo effettivamente la dose di tossina

» Compromettendo così la effettiva recessività della contro resistenza

Quindi la strategia HDR richiede – Una dettagliata investigazione empirica delle

modalità di movimento di insetti •Per determinare, per ogni specifica coltura, un appropriata configurazione del rifugio

Rappresentazione schematica della strategia HDR- I quadrati verdi e gialli rappresentano rispettivamente le

piante resistenti e suscettibili. Gli insetti gialli con genotipo AA sono suscettibili; gli insetti gialli e verdi con genotipo Aa sono suscettibili; gli insetti verdi con genotipo aa sono contro-resistenti

a) le piante rifugio o sono mischiate con le piante suscettibili e lo stadio giovanile dell’insetto è confinato su una singola pianta. La strategia HDR funziona bene. I numerosi insetti AA prodotti sulle piante rifugio nascondono i pochi insetti aa contro resistenti che emergono dalle piante resistenti da ciascun altro di questi e assicurano che gli individui aa si accoppiano solamente con individui AA (linea rossa). Questo previene la produzione di giovani aa omozigoti contro-resistenti che potrebbero mangiare su piante resistenti

b) le piante rifugio sono mescolate con le piante suscettibili, e gli stadi giovanili degli insetti si spostano fra le piante. I circoli indicano il raggio di movimento degli insetti giovani. La strategia HDR funziona male. Sotto questa condizione più individui Aa sopravvivono perché la tossicità delle piante alimentari è diluita. Accoppiamenti tra Aa e aa o tra aa e aa (linea blu) sono molto più frequenti e risulta nella produzione di giovani contro resistenti aa.

c) le piante rifugio sono raggruppate e la dispersione degli insetti adulti è limitata. La strategia HDR funziona male. Anche con movimenti di stadi giovanili di insetti tra le piante molti eterozigoti non mangiano su piante suscettibili e così muoiono. Nonostante la limitata dispersione degli insetti AA li ostacola dall’evitare l’accoppiamento tra i rari individui aa (linea blu) che porta alla produzione di individui omozigoti contro resistenti

Limitazioni della strategia HDR (high-dose/refuse strategy)

La strategia HDR è stata applicata per– Ritardare l’evoluzione della contro resistenza in insetti

anfigonici• Considerazioni evoluzionistiche suggeriscono che

HDR è inefficace nella gestione la contro resistenza di altri organismi

• La riproduzione sessuale con accoppiamenti casuali è crucciale per l’HDR

– Perché assicura che molte coppie degli iniziali rari alleli contro resistenti siano presenti in eterozigoti con bassa fitness

– In insetti diploidi partenogenetici come gli afidi • Un raro mutante omozigote può rapidamente moltiplicare

ospiti resistenti – Aumentando la frequenza della contro resistenza

Un approccio teorico alla strategia HDR – Il modello con piante piramidalmente ingegnerizzate, che

producono simultaneamente due tossine non correlate, comparato con piante coltivate che producono una sola tossina indica

• Che sono necessari molti più piccoli rifugi per conservare lo stesso ritardo nell’adattamento dell’organismo nocivo

– Il modello con piante che producono una singola tossina Indica

• Che la recessività è critica perché l’efficacia aggiunta dalle piante ingegnerizzate piramidalmente è dovuta largamente alla rarità nell’insetto dannoso dei genotipi omozigoti doppiamente resistenti

– Tale recessività con alte dosi di entrambe le tossine, può essere, teoricamente, ottenuta

• Però le difficoltà tecniche ed economiche del modello con piante piramidalmente ingegnerizzate, con due tossine non correlate rendono questa strategia non fattibile per un prevedibile futuro

Le piante coltivate ingegnerizzate per la resistenza ai differenti stress, compresi gli insetti, sono molto costose e la loro affermazione è legata

– Alla elevata diffusione – Alla loro effettiva durata

• La principale minaccia alla longevità è il cambiamento evolutivo negli insetti dannosi bersaglio

• Quindi sono necessari approcci gestionali che manipolino attivamente i loro processi evolutivi

– Attualmente molto lavoro in questo senso è stato fatto usando semplici modelli evolutivi con non realistiche assunzioni circa le basi biologiche e genetiche degli insetti bersaglio

Ricerca evolutiva applicata

• Il perfezionamento e il miglioramento delle strategie in atto con l’HDR richiederanno lo sviluppo di– Più realistici e sofisticati modelli genetici delle

popolazioni (concetto fondamentale della biologia evoluzionistica)

– Un numero maggiore di scienziati ingaggiati in questa attività

– Delucidazione delle cause molecolari e biochimiche della resistenza

L’uso della resistenza delle piante nella gestione degli

insetti dannosi

Il significato di differenti categorie di resistenza delle piante in un sistema

di IPM

Bassi livelli di Antixenosi, Antibiosi possono essere utili nel controllo di insetti residenti

– Che invadono gli impianti all’inizio dello sviluppo di una coltivazione e poi incrementano gradualmente durante la stagione di crescita perché il movimento degli insetti residenti è molto limitato

• L’ Antixenosi può essere un fatto adeguato per ridurre la popolazione di questo tipo di insetto in un sistema di IPM

• La resistenza del pisello per Antixenosi alimentare verso Lygus hesperus potrebbe essere efficace contro

– Sia le popolazioni endemiche che migratrici dell’insetto in un sistema di IPM

Il modello di comparazione della resistenza nel pomodoro e nella soia verso Heliothis zea ha messo in evidenza

– Nel pomodoro • Una Antibiosi verso le giovani larve• Una Antixenosi ovideposizionale • Entrambe le manifestazioni riducono la popolazione

dell’insetto senza raggiungere i limiti che non richiedono interventi insetticidi

– Nella soia • Che sopporta una più alta defogliazione del

pomodoro • Un basso o moderato livello di antibiosi e antixenosi

può essere utile per mantenere il fitofago al di sotto del livello di dannosità

La Tolleranza aumenta l’effetto del controllo biologico in un sistema di protezione di una coltura

– Questo perché non espongono gli insetti utili• Agli effetti morfologici degli allelochimici di cultivar che manifestano caratteri di Antibiosi e Antixenosi

Nella prospettiva di un totale effetto della resistenza della pianta sulla popolazione dell’insetto

– Le cultivar con Tolleranza richiedono meno Antibiosi e Antixenosi

• La produzione di cultivar di medica che possiedono Tolleranza, Antibiosi e Antixenosi verso Empoasca fabae

– Può provvedere ad un controllo stabile che conduce l’elevazione della soglia economica di dannosità

Integrazione con il controllo chimico

• Cultivar di sorgo con moderata resistenza a Contarina sorghicola ha elevato la soglia economica dell’intervento insetticida

• Una sola applicazione insetticida con dose ridotta alla metà controlla le larve di Heliothis zea su mais resistente “471-U6X81” allo stesso modo di 7 applicazioni su ibridi suscettibili

• La suscettibilità agli insetticidi di Nilaparvata lugens e Sogatella furcifera aumenta quando sono allevate su cultivar di riso moderatamente resistenti

• Le applicazioni insetticide su cultivar di riso resistenti a N. lugens e S. furcifera ne aumentano la mortalità per lunghi periodi dopo il trapianto, diminuendo l’uso di insetticidi

• Il trattamento con carbofuran della cultivar di riso (IR26) resistente a Nilaparvata lugens biotipo 1 – Controlla Hydrellia philippia e incrementa il raccolto

del 15%• Le larve di Pseudoplusia includens che si

nutrono su fogliame di piante di soia resistenti all’insetto della linea “ED73-371” – Sono più suscettibili al metilparation delle larve che si

nutrono sulla cultivar suscettibile “Bragg”• Sulla cultivar di arachide resistenti “NC6”

– I trattamenti insetticidi per contenere le popolazioni di Diabrotica undecimpunctata howardi possono essere ridotti dell’80% circa

Integrazione con il controllo mediante Bt

• L’applicazione combinata di Bt e dell’insetticida chlordimeform riduce significativamente le popolazioni larvali di Trichoplusia ni e Artogeia rapae

• Un effetto complementare esiste tra la resistenza del cavolo e il Bt solo per il controllo dei danni dovuti alla attività alimentare delle larve di Trichoplusia ni, Artogeia rapae e Plutella xylostella

• L’applicazione di Bt su cultivar di soia resistenti dà un maggiore controllo di Heliothis zea di quanto il Bt è applicato contro al fitofago su la cultivar suscettibile “Bragg”

Esiste una incompatibilità tra la resistenza delle piante e gli insetticidi microbiologici

– Una grande enfasi è stata posta sulla incorporazione del gene che codifica la proteina tossica del Bt nelle piante coltivate• In questo caso l’insetticida serve come la

base della resistenza– L’abilità metabolica degli insetti a

detossificare il Bt è stata dimostrata • In Plodia interpunctella la resistenza al Bt

avviene nell’intervallo da due a tre generazioni

Risulta chiara la necessità di avere cultivar con un moderato livello di resistenza alle tossine microbiologiche

– Per evitare la differenziazione di biotipi di insetti che superano tale resistenza

L’incremento nell’insetto della attività degli enzimi digestivi

Mixed function oxidase, glutathione s-transferases e hydrolases possono essere indotti da un ampia serie di allelochimici

– Gli insetti con tale induzione enzimatica possono essere più tolleranti verso l’effetto tossico degli insetticidi normalmente detossificati dagli stessi enzimi

• Gli allelochimici siringin e xanthotoxin hanno dimostrato tali capacità

– Il 2-tridecanone da Lycopersicon hirsutum f. glabratum aumenta l’abilità di Manduca sexta a detossificare il carbaryl

– L’allelochimico gossypol incrementa l’attività dell’enzima N-demethylase in Spodoptera littoralis

Integrazione con il controllo biologico

Relazioni biotrofiche

rice stem borer Chrysomela tremulae Aulacorthum solani

Lacanobia oleracea Hydrellia philippia Diabrotica undecimpunctata howardi

Lysiphlebus testaceipes Orius insidiosus Pediobius foveolatus

Alcune delle relazioni tra una pianta ospite, piante associate, insetti fitofagi, parassitoidi iperparassitoidi e predatori di parassitoidi primari

Interazioni positive della resistenza delle piante e il controllo biologico

– Gli effetti delle cultivar di orzo e di sorgo resistenti Schizaphis graminum sono completate dalla attività del parassitoide Lysiphlebus testaceipes

– L’efficacia di L. testaceipes rimane immutata anche dopo che si sono sviluppati biotipi addizionali di S. graminum.

– I mais ibridi “Dixie 18 e “471-U6x81-1” tolleranti verso Heliothis zea mantengono alti livelli del predatore Orius insidiosus dal momento dell’imbozzolamento fino ad una settimana dopo

• Il predatore contribuisce a mantenere bassa la popolazione larvale del fitofago su ibridi resistenti più che su quelli suscettibili

– L’effetto del parasitoide Pediobius foveolatus (imenottero) su Epilachna varivestis è più alto sulle larve che vivono sulla cultivar di soia resistente “Cutler” in confronto a quelle che si nutrono sulla cultivar suscettibile “Bonus”

Interazioni negative della resistenza delle piante e il controllo biologico

– La pubescenza delle foglie del cotone quando aumenta la sua densità riduce gli effetti del parassitoide Trichogramma pretiosus e del predatore Chrysopa rufilabris sulle larve di del fitofago Heliothis zea

• La pubescenza riduce la capacità di scelta del predatore nonostante che tale situazione ne faccia aumentare la presenza sulle foglie

– La rimozione dei nettari extra florali dalle piante di cotone riduce l’efficacia di alcuni parassitoidi e predatori

– L’allelochimico α-tomatine delle cultivar di cotone resistenti a Heliothis zea è tossico verso il suo endoparassitoide Hyposoter exigua

– L’antibiosi nella cultivar di soia PI227687 dovuta all’alto livello di allelochimici determina una elevata mortalità nelle larve di Pseudoplusia includens e una riduzione di sopravvivenza nell’ultima generazione del suo parassitoide Microplitis croceipes

– L’emergenza, la fecondità e la produzione di progenie nel parassitoide Telenomus chloropus sono ridotte quando si sviluppa su uova di Nezara viridula deposte sulla cultivar resistente di soia PI171444 in confronto a quando si sviluppa su uova deposte sulla cultivar sensibile “Davis”.

Chrysopa rufilabris Trichogramma pretiosusHyposoter exigua

Microplitis croceipes Telenomus chloropus Nezara viridula

Cetrioli senza peli e con peli

Encarsia formosa che cammina su un cetriolo senza e con peli

Linee di marcia di E. formosa cercante l’ospite, Trialeurodes vaporariorum, su cetriolo con peli e senza peli dove l’area esplorata per unità di tempo è 3,5 volte più ampia. Le barre traverse sulle linee limitano l’intervallo di 10’’

La valutazione della interazione tetratrofica tra

– Il fogliame della cultivar di soia PI227687 – Le larve di Pseudoplusia includens – Il pentatomide predatore Podisus maculiventris – Il parassitoide del pentatomide Teleonomus podisi Ha indicato che– Il predatore fu influenzato negativamente dall’essersi

nutrito di larve del fitofago che si erano alimentate sulla cultivar resistente

– Il parassitoide che si era sviluppato su tale pentatomide ha manifestato una riduzione del suo potenziale riproduttivo

Effetto potenziale di vari attori in relazioni tritrofiche

La resistenza delle piante è stata integrata con successo insieme a tutti gli altri tipi di tattiche di

IPM nelle maggiori coltivazioni di piante produttrici di

alimento o di fibra

Nell’ordine alla loro utilità• E’ evidente il fatto che loro possono essere inserite

efficacemente in un esistente sistema di IPM basato su pratiche colturali sviluppate in precedenza e modalità d’uso di insetticidi

• L’inserimento di una cultivar resistente ad un insetto in un sistema di gestione è efficiente se esibisce la resistenza verso parecchie specie di insetti

• La resistenza multipla agli insetti della pianta riduce la quantità di applicazioni insetticide rispetto a quanto con una cultivar resistente ad un solo insetto

• La resistenza multipla della cultivar aiuta ad evitare che una specie di secondaria importanza diventi di prima importanza

• Gli effetti negativi di alti livelli di allelochimici e di resistenza morfologica sia sul fitofago che sul parassitoide dimostra – La necessità di sviluppare cultivar con moderati livelli di resistenza

all’insetto, da inserire in sistemi di IPM

Un processo analogo alla coevoluzione accade anche negli agoecosistemi

• L’agricoltore introduce un clone resistente – A questo segue l’evoluzione di una contro resistenza

• L’agricoltore risponde introducendo un altro clone resistente– Un tipico esempio di questa “coevoluzione artificiale” è stata

sviluppata con una varietà di grano a resistere a Mayetiola destructor (Diptera Cecidomide) nella regione dell’Indiana (USA)

• Nel 1955 una cultivar portante un gene resistente fu veramente efficace nella resistenza all’insetto entro 6 anni

– Comunque, una contro resistenza fu sviluppata dal cecidomide

• Nel 1964 fu sviluppata una cultivar portante un secondo gene di resistenza

– La contro resistenza da parte dell’insetto apparve entro 8 anni

• Nel 1971 fu sviluppata una cultivar portante un terzo gene di resistenza

– La contro resistenza da parte dell’insetto apparve entro circa 10 anni

La tolleranza come una stabile difesa evolutiva

Una strategia che in alcuni casi può essere efficace è rompere il ciclo coevolutivo

incorporando, nelle coltivazioni, la tolleranza invece che la resistenza

La tolleranza riduce o elimina l’effetto dannoso di una data quantità di danno o infezione sul benessere della pianta

– Le piante coltivate possono differire nella tolleranza In natura le piante spesso usano la tolleranza come difesa contro i nemici naturali

– Variazioni genetiche del grado di tolleranza è stato rilevato in piante tassonomicamente diverse come Piperacee, Convolvulacee, Polemoniacee e Brassicacee

In molte piante la tolleranza non riduce completamente il danno da decadimento della fitness

– Probabilmente perché il costo previene l’evoluzione dei massimi livelli della tolleranza

– In alcune specie è evidente una super compensazione a formare una tolleranza nella quale il danno da nemico aumenta la fitness della pianta

In contrasto con la resistenza la tolleranza non pare abbia effetti negativi sui nemici naturali

– Conseguentemente l’evoluzione della tolleranza non genera selezione naturale per il contro adattamento nei nemici

– Conseguentemente rompe il ciclo coevolutivio

Le popolazioni di insetti non diminuiscono per esposizione a piante tolleranti

– Il loro pools di geni rimane diluito • Perché è ridotta o assente la pressione selettiva

posta su di loro da alti livelli di antibiosi– Quindi l’uso di cultivar tolleranti riduce fortemente lo

sviluppo di biotipi di insetti che annullano la resistenza • Alcune cultivar di mais tolleranti verso Heliothis zea e

Ostrinia nubilalis, ospitano attualmente una più elevata popolazione larvale di quelle suscettibili

– Ma questo non decresce la loro efficienza nel provvedere più alto raccolto rispetto alle cultivar suscettibili

• Nel contesto della difesa delle piante questo principio l’incremento vantaggioso del benessere associato con i genotipi che conferiscono un incremento alla difesa

– E’ accompagnata da un decremento nel benessere associata con la utilizzazione di risorse portate via ad altre funzioni crescenti del benessere

– Ad esempio – L’aumento di produzione di alcaloidi come difesa

contro gli insetti erbivori rimuove sostanze azotate dal pool disponibile per la crescita della pianta per questo ci si aspetta

» Una riduzione della dimensione » Una riduzione nella produzione di semi