Interazioni piante - insetti: ruolo delle formiche in un sistema multitrofico. Aspetti ecoetologici ed applicativi

Le formiche svolgono un importante ruolo all’interno degli ecosistemi ed alcune specie sono considerate keystone in quanto in grado di modificare la componente biotica e/o abiotica dell’ecosistema stesso. Sono animali ubiquitari che hanno colonizzato molteplici ambienti, compresi gli agroecosistemi. Negli agroecosistemi spesso svolgono un ruolo impattante determinando la diffusione o il regresso di specie di artropodi, alcune delle quali dannose alle colture. La presente ricerca tiene conto di un’ampia visione dei rapporti ecoetologici intercorrenti tra le formiche e la componente biotica di un ecosistema, utilizzando il concetto di rete multitrofica. In quest’ottica, si è pensato di costruire un sistema multitrofico costituito da una specie vegetale di interesse agrario (Cucumis sativus), dai suoi fitofagi naturali, divisi in fitomizi (afidi) (Aphis gossypii e Myzus persicae) e fitofagi masticatori (bruchi del lepidottero Mamestra brassicae), formiche (Formica pratensis) e predatori afidofagi (Aphidolets aphidimyza). Il sistema multitrofico è stato utilizzato sia per studiare l’aggressività delle formiche, sia per verificare l’esistenza di una comunicazione interspecifica tra le formiche e le piante (allelochimici). Gli studi sull’aggressività sono consistiti nel: • Verificare il livello di aggressività delle formiche nei confronti di un fitofago masticatore, competitore degli afidi nello sfruttare la pianta ospite. • Verificare se la presenza di afidi mutualisti fa variare il livello di aggressività delle formiche verso il competitore. • Verificare se esiste aggressività verso un predatore di afidi, i quali, secondo il paradigma della trofobiosi, dovrebbero essere difesi dalle formiche in cambio della melata. • Verificare se il predatore ha evoluto strategie volte ad eludere il controllo delle formiche sugli insetti che si approcciano alla colonia di afidi. Gli studi sui rapporti piante-formiche sono stati effettuati mediante olfattometro, osservando la risposta delle formiche alle sostanze volatili provenienti da piante infestate in modo differente con i fitofagi del sistema. Attraverso il trappolaggio e l’analisi gas-cromatografica delle sostanze prodotte dalle piante oggetto di studio abbiamo quindi individuato tipo e quantità di ogni composto volatile. Oltre alle piante di cetriolo, per questi esperimenti sono state utilizzate anche piante di patata (Solanum tuberosum). Dagli esperimenti sull’aggressività è risultato che le formiche manifestano un elevato potenziale predatorio, eradicando completamente la presenza dei bruchi sulle piante. Questo livello di aggressività tuttavia non cresce con la presenza degli afidi mutualisti che dovrebbero essere difesi dai competitori. Le formiche inoltre non sono in grado di sopprimere i predatori afidofagi che ipotizziamo riescano ad effettuare un camuffamento chimico, assumendo gli odori degli afidi dei quali si nutrono. I risultati degli esperimenti in olfattometro mostrano una chiara risposta positiva delle formiche verso gli odori di alcune delle piante infestate. Vi sono delle differenze nella risposta in funzione della specie di fitofago presente e della specie di pianta utilizzata. Nei trattamenti in cui erano presenti le piante di C. sativus, gli esperimenti in olfattometro hanno mostrato che le formiche rispondono in modo significativo agli odori emessi dalle piante in cui vi era la presenza del fitofago masticatore M. brassicae, solo o in associazione con A. gossypii. La presenza dei soli afidi, sia mutualisti (A. gossypii) sia non mutualisti (M. persicae), non ha invece indotto una risposta significativa nelle formiche rispetto agli odori delle piante non infestate. Nei trattamenti in cui erano presenti le piante di S. tuberosum la scelta delle formiche è stata significativa verso gli odori emessi dalle piante infestate con ciascuna delle singole specie di erbivori rispetto alle piante non infestate. Gli esperimenti sull’analisi delle sostanze volatili emesse dalle piante hanno confermato che gli organismi vegetali sono una vera centrale di produzione biochimica, infatti ben 91 composti volatili diversi sono stati individuati dall’analisi gas-cromatografica delle piante di cetriolo e 85 in quelle di patata. Dalle elaborazioni effettuate, rispettivamente 27 e 4 di essi sono prodotti esclusivamente dalle piante attaccate dai fitofagi. In generale, il cambiamento più consistente è dato dalla quantità di alcune sostanze volatili emesse dalle piante infestate rispetto a quelle integre che determina un cambiamento nei rapporti tra le sostanze che compongono i volatiles. E’ probabile che l’effetto attrattivo esercitato sulle formiche sia dato da un Blend di sostanze più che dai singoli composti presenti

Comparison of the defensive elicitation activity of cerato-populin and cerato-platanin: a structural model

Plants can defend themselves from potential pathogenic microorganisms relying on a complex interplay of signaling pathways: activation of the MAPK cascade, transcription of defense related genes, production of reactive oxygen species, nitric oxide and synthesis of other defensive compounds such as phytoalexins. These events are triggered by the recognition of pathogen’s effectors (effector-triggered immunity) or PAMPs (PAMP-triggered immunity). The Cerato Platanin Family (CPF) members are Cys-rich proteins secreted and localized on fungal cell walls, involved in several aspects of fungal development and pathogen-host interactions. Although more than hundred genes of the CPF have been identified and analyzed, the structural and functional characterization of the expressed proteins has been restricted only to few members of the family. Interestingly, those proteins have been shown to bind chitin with diverse affinity and after foliar treatment they elicit defensive mechanisms in host and non-host plants. This property turns cerato platanins into interesting candidates, worth to be studied to develop new fungal elicitors with applications in sustainable agriculture. This study focus on cerato-platanin (CP), core member of the family and on the orthologous cerato-populin (Pop1). The latter shows an identity of 62% and an overall homology of 73% with respect to CP. Both proteins are able to induce MAPKs phosphorylation, production of reactive oxygen species and nitric oxide, overexpression of defense’s related genes, programmed cell death and synthesis of phytoalexins. CP, however, when compared to Pop1, induces a faster response and, in some cases, a stronger activity on plane leaves. Aim of the present research is to verify if the dissimilarities observed in the defense elicitation activity of these proteins can be associated to their structural and dynamic features. Taking advantage of the available CP NMR structure, Pop1’s 3D one was obtained by homology modeling. Experimental residual dipolar couplings and 1H, 15N, 13C resonance assignments were used to validate the model. Previous works on CPF members, addressed the highly conserved random coil regions (loops b1-b2 and b2-b3) as sufficient and necessary to induce necrosis in plants’ leaves: that region was investigated in both Pop1 and CP. In the two proteins the loops differ, in their primary sequence, for few mutations and an insertion with a consequent diversification of the proteins’ electrostatic surface. A set of 2D and 3D NMR experiments was performed to characterize both the spatial arrangement and the dynamic features of the loops. NOE data revealed a more extended network of interactions between the loops in Pop1 than in CP. In addition, in Pop1 we identified a salt bridge Lys25/Asp52 and a strong hydrophobic interaction between Phe26/Trp53. These structural features were expected not only to affect the loops’ spatial arrangement, but also to reduce the degree of their conformational freedom. Relaxation data and the order parameter S2 indeed highlighted reduced flexibility, in particular for loop b1-b2 of Pop1. In vitro NMR experiments, where Pop1 and CP were titrated with oligosaccharides, supported the hypothesis that the loops structural and dynamic differences may be responsible for the different chitin-binding properties of the two proteins: CP selectively binds tetramers of chitin in a shallow groove on one side of the barrel defined by loops b1-b2, b2-b3 and b4-b5, Pop1, instead, interacts in a non-specific fashion with oligosaccharides. Because the region involved in chitin-binding is also responsible for the defense elicitation activity, possibly being recognized by plant's receptors, it is reasonable to expect that those structural and dynamic modifications may also justify the different extent of defense elicitation. To test that hypothesis, the initial steps of a protocol aimed to the identify a receptor for CP, in silico, are presented.