La sovraespressione della PGIP in piante transgeniche di frumento determina un incremento di resistenza contro i patogeni fungini

Abstract

Uno dei requisiti necessari per lo sviluppo di una agricoltura sostenibile è l’uso di varietà di piante resistenti ai microrganismi patogeni. Per la costituzione di genotipi resistenti e’ auspicabile rafforzare quei sistemi naturali di difesa che presiedono al controllo contemporaneo di differenti patogeni. Uno di questi è rappresentato dalla parete delle cellule vegetali che costituisce un ostacolo per la maggior parte dei funghi fitopatogeni sia nella fase di penetrazione dell’ospite sia nel corso della colonizzazione del tessuto. Il patogeno, a tal fine, produce degli enzimi in grado di degradare la parete delle cellule vegetali; tra i quali le endo-poligaratturonasi rivestono un ruolo fondamentale poiché , in molti casi, la loro azione è prioritaria rispetto ad altri enzimi degradativi. La PGIP (Inibitore Proteico della Poligalatturonasi) è una proteina presente nelle pareti cellulari delle piante in grado di inibire l’attività delle PG. La PGIP è in grado sia di legare specificamente e reversibilmente le PG fungine rallentandone l’attività sia di rilasciare oligaratturonidi con funzione elicitoria dalla parete cellulare innescando le risposte di difesa. Per valutare l'efficacia di queste proteine nell’incrementare le risposte difensive del frumento nei confronti dei patogeni fungini, sono state prodotte 25 linee di piante transgeniche di frumento cv Bobwhite sovraesprimenti il gene Pvpgip2 di fagiolo, che è l’inibitore con il più ampio spettro di riconoscimento tra gli inibitori sinora studiati. Delle linee prodotte ne sono state selezionate sei che sono state caratterizzate per i livelli di espressione e per la l’attività inibitoria della proteina transgenica. La PvPGIP2 è risultata correttamente localizzata nell’ apoplasto, anche se con livelli variabili nelle linee, e mantiene le sue peculiari caratteristiche di riconoscimento incrementando lo spettro d’inibizione del frumento nei confronti delle PG.In vivo, la PvPGIP2 transgenica interagisce con la PG di F.moniliforme e ne limita l’attività idrolitica sui tessuti delle piante transgeniche. Tre delle linee (J82-23a, J82-200 e MJ7-4a) hanno mostrato una significativa riduzione della sintomatologia in seguito ad infezione con Bipolaris sorokiniana su foglie e spighe, e in una linea transgenica (J82-23a) l’accumulo di PvPGIP conferisce una parziale protezione nei confronti di Fusarium graminearum a seguito di infezione su spiga.

A possible strategy to control plant pathogens is the improvement of natural plant defence mechanisms against the processes that pathogens commonly use to penetrate and colonize the host tissue. One of these defence mechanisms is the ability to inhibit the pathogen’s capability to degrade plant cell walls. Polygalacturonase-inhibiting proteins (PGIPs) are plant defence glycoproteins associated with the cell wall of both monocot and dicot species. They interact with fungal endopolygalacturonases (PGs) and modulate their activity favouring the accumulation of oligogalacturonides active as elicitors of plant defence responses. To assess the effectiveness of these proteins in protecting wheat from the fungal pathogens, we have produced a number of transgenic wheat lines expressing a bean PGIP (PvPGIP2) having a wide spectrum of specificities against fungal PGs. Six of them have been selected and tested to value PvPGIP2 expression level and inhibition activity. Results shows that the transgene-encoded protein is correctly secreted in the apoplast, maintains the characteristic recognition specificities and endows the transgenic wheats with new PG recognition capabilities. As a consequence, transgenic wheat tissue showed an increased resistance to Fusarum moniliforme PG’s digestion. Three transgenic lines (J82-23a, J82-200, MJ7-4) over expressing PvPGIP2 showed a significant reduced symptom progression through the leaves or spikes following infection with Bipolaris sorokiniana and in one transgenic line (J82-23a), the accumulation of PvPGIP2 confers partial protection against the spread of F. graminearum in inoculated wheat spikes.