Dall'Introduzione: La scoperta nel 1929 della penicillina da parte di Alexander Fleming ha aperto un capitolo nuovo della microbiologia applicata e rappresenta l'inizio di ciò che oggi chiamiamo microbiologia industriale o biotecnologia microbica. L'intensa attività di ricerca per l'identificazione di nuove sostanze antibiotiche che seguì quella prima storica scoperta rese rapidamente evidente ai ricercatori che i microrganismi erano una fonte straordinariamente varia di metaboliti secondari biologicamente attivi, le cui potenzialità di sviluppo in ambito medico e agricolo potevano all'epoca essere solo vagamente immaginate. I metaboliti secondari sono il prodotto di specifiche vie biosintetiche non direttamente implicate nelle funzioni cellulari primarie, cioè in quelle reazioni che assicurano alla cellula la produzione di energia e delle molecole essenziali per la sopravvivenza, la crescita e la moltiplicazione. La loro funzione biologica è stata per molto tempo oscura e i metaboliti secondari sono stati inizialmente considerati delle semplici "scorie" o prodotti intermedi del metabolismo primario. Tuttavia, poiché la sintesi di questi composti rappresenta per la cellula un costo energetico, e poiché nell'economia della natura a un costo deve corrispondere sempre un ritorno in termini di utilità biologica, risultò presto evidente che i metaboliti secondari dovessero avere una funzione precisa, per quanto non ancora chiara, nella biologia dei microrganismi. Oggi la nostra comprensione della funzione dei metaboliti secondari microbici è molto maggiore. Sappiamo che, oltre ad essere importanti per la regolazione dello sviluppo e della morfogenesi (per esempio nella differenziazione dei corpi fruttiferi dei funghi), essi rivestono un ruolo, spesso fondamentale, nelle interazioni tra i microrganismi e altri organismi che occupano la loro stessa nicchia ecologica: piante, insetti, nematodi e, naturalmente, altri microrganismi. In natura, i metaboliti secondari microbici possono operare come molecole semiochimiche, fungendo da segnali chimici nella comunicazione con altri organismi, possono contribuire alla patogenicità o alla virulenza di agenti fitopatogeni, possono essere armi nella competizione contro batteri e funghi del suolo e del filloplano, possono avere funzioni di regolazione delle interazioni benefiche con le piante, favorendo l'instaurarsi di rapporti simbiotici, elicitando risposte di resistenza o stimolando la crescita vegetale, ecc. L'agricoltura intensiva, sviluppatasi nei decenni seguenti la "Green Revolution" degli anni '40, fortemente basata sull'impiego massivo di fitofarmaci per la gestione fitosanitaria delle colture, ha con il tempo generato problematiche connesse alla presenza di residui tossici nei prodotti agricoli, all'inquinamento delle falde acquifere e dell'ambiente edafico, alla pericolosità per gli organismi utili e non-target e alla perdita di efficacia dei principi attivi per effetto dello sviluppo di resistenza nelle popolazioni degli agenti fitopatogeni e dei fitofagi. L'interesse per l'uso di metaboliti microbici in campo agricolo è sorto proprio dalla necessità di trovare soluzioni a tali problematiche e di sviluppare alternative ecosostenibili agli agrofarmaci di sintesi. In questo senso, i pregi dei metaboliti microbici sono molteplici: (a) sono versatili nella struttura e nell'attività. Presentano una varietà e una complessità strutturale difficilmente replicabili mediante sintesi chimica. Inoltre il loto meccanismo d'azione è generalmente "multisito", sono cioè attivi su più siti cellulari, e ciò riduce la probabilità che insorgano resistenze; (b) Sono biodegradabili. Si disattivano di solito entro un mese, o anche in pochi giorni, a seguito di degradazione microbica nel suolo o fotochimica sulle superfici esposte alla radiazione solare. Pertanto, il loro impatto ambientale, sia per quanto riguarda i residui che gli effetti su organismi non bersaglio è estremamente ridotto. In generale, i metaboliti microbici possono trovare impiego nella difesa in tre modi diversi: 1.Utilizzazione diretta: applicazione del prodotto naturale ottenuto dalla fermentazione del microrganismo in adeguati substrati di coltura di composizione definita (ottenuti dalla miscelazione di componenti organici e minerali puri), naturali (granaglie o sottoprodotti agricoli) o semi-sintetici (in cui la componente organica è tutta o parzialmente naturale e la componente minerale è costituita da sali minerali puri). 2.Derivatizzazione: il composto naturale viene utilizzato come materiale di partenza su cui si operano modificazioni chimiche o microbiologiche con l'obiettivo di aumentare l'efficacia o la persistenza, o di ampliare lo spettro d'azione. 3.Modelli strutturali o funzionali (i cosiddetti lead compounds o leads): mediante studi di correlazione struttura-attività vengono identificati i gruppi chimici responsabili dell'attività biologica e i meccanismi d'azione a livello cellulare, per poi utilizzare questi elementi per la progettazione e la sintesi chimica di analoghi sintetici delle molecole naturali. In questo capitolo si propone una rassegna di sostanze microbiche già in uso o di possibile impiego per la lotta alle avversità biotiche delle colture, che, lungi dal voler essere completa (sarebbe impossibile nello spazio limitato di un capitolo), intende mettere in luce l'importanza e il grande potenziale tecnico-applicativo in agricoltura delle ricerche nel campo dei metaboliti microbici. Verranno esaminati composti microbici con attività insetticida, acaridida e nematocida per la lotta a fitofagi e fitomizi, composti con attività antibatterica e antifungina per la lotta alle fitopatie crittogamiche e sostanze con attività erbicida per il controllo delle erbe infestanti. Infine, un sottocapitolo a parte è dedicato ai metaboliti dei Trichoderma spp., tra i più diffusi e versatili agenti di biocontrollo, che con sempre maggiore evidenza appaiono capaci di instaurare complesse relazioni ecologiche con l'ambiente biotico intorno ad essi, inclusi piante, nematodi e insetti, nelle quali i metaboliti secondari rappresentano un elemento chiave.
Stato dell'arte e prospettive nell'impiego di metaboliti microbici in agricoltura
Altomare Claudio
2020
Abstract
Dall'Introduzione: La scoperta nel 1929 della penicillina da parte di Alexander Fleming ha aperto un capitolo nuovo della microbiologia applicata e rappresenta l'inizio di ciò che oggi chiamiamo microbiologia industriale o biotecnologia microbica. L'intensa attività di ricerca per l'identificazione di nuove sostanze antibiotiche che seguì quella prima storica scoperta rese rapidamente evidente ai ricercatori che i microrganismi erano una fonte straordinariamente varia di metaboliti secondari biologicamente attivi, le cui potenzialità di sviluppo in ambito medico e agricolo potevano all'epoca essere solo vagamente immaginate. I metaboliti secondari sono il prodotto di specifiche vie biosintetiche non direttamente implicate nelle funzioni cellulari primarie, cioè in quelle reazioni che assicurano alla cellula la produzione di energia e delle molecole essenziali per la sopravvivenza, la crescita e la moltiplicazione. La loro funzione biologica è stata per molto tempo oscura e i metaboliti secondari sono stati inizialmente considerati delle semplici "scorie" o prodotti intermedi del metabolismo primario. Tuttavia, poiché la sintesi di questi composti rappresenta per la cellula un costo energetico, e poiché nell'economia della natura a un costo deve corrispondere sempre un ritorno in termini di utilità biologica, risultò presto evidente che i metaboliti secondari dovessero avere una funzione precisa, per quanto non ancora chiara, nella biologia dei microrganismi. Oggi la nostra comprensione della funzione dei metaboliti secondari microbici è molto maggiore. Sappiamo che, oltre ad essere importanti per la regolazione dello sviluppo e della morfogenesi (per esempio nella differenziazione dei corpi fruttiferi dei funghi), essi rivestono un ruolo, spesso fondamentale, nelle interazioni tra i microrganismi e altri organismi che occupano la loro stessa nicchia ecologica: piante, insetti, nematodi e, naturalmente, altri microrganismi. In natura, i metaboliti secondari microbici possono operare come molecole semiochimiche, fungendo da segnali chimici nella comunicazione con altri organismi, possono contribuire alla patogenicità o alla virulenza di agenti fitopatogeni, possono essere armi nella competizione contro batteri e funghi del suolo e del filloplano, possono avere funzioni di regolazione delle interazioni benefiche con le piante, favorendo l'instaurarsi di rapporti simbiotici, elicitando risposte di resistenza o stimolando la crescita vegetale, ecc. L'agricoltura intensiva, sviluppatasi nei decenni seguenti la "Green Revolution" degli anni '40, fortemente basata sull'impiego massivo di fitofarmaci per la gestione fitosanitaria delle colture, ha con il tempo generato problematiche connesse alla presenza di residui tossici nei prodotti agricoli, all'inquinamento delle falde acquifere e dell'ambiente edafico, alla pericolosità per gli organismi utili e non-target e alla perdita di efficacia dei principi attivi per effetto dello sviluppo di resistenza nelle popolazioni degli agenti fitopatogeni e dei fitofagi. L'interesse per l'uso di metaboliti microbici in campo agricolo è sorto proprio dalla necessità di trovare soluzioni a tali problematiche e di sviluppare alternative ecosostenibili agli agrofarmaci di sintesi. In questo senso, i pregi dei metaboliti microbici sono molteplici: (a) sono versatili nella struttura e nell'attività. Presentano una varietà e una complessità strutturale difficilmente replicabili mediante sintesi chimica. Inoltre il loto meccanismo d'azione è generalmente "multisito", sono cioè attivi su più siti cellulari, e ciò riduce la probabilità che insorgano resistenze; (b) Sono biodegradabili. Si disattivano di solito entro un mese, o anche in pochi giorni, a seguito di degradazione microbica nel suolo o fotochimica sulle superfici esposte alla radiazione solare. Pertanto, il loro impatto ambientale, sia per quanto riguarda i residui che gli effetti su organismi non bersaglio è estremamente ridotto. In generale, i metaboliti microbici possono trovare impiego nella difesa in tre modi diversi: 1.Utilizzazione diretta: applicazione del prodotto naturale ottenuto dalla fermentazione del microrganismo in adeguati substrati di coltura di composizione definita (ottenuti dalla miscelazione di componenti organici e minerali puri), naturali (granaglie o sottoprodotti agricoli) o semi-sintetici (in cui la componente organica è tutta o parzialmente naturale e la componente minerale è costituita da sali minerali puri). 2.Derivatizzazione: il composto naturale viene utilizzato come materiale di partenza su cui si operano modificazioni chimiche o microbiologiche con l'obiettivo di aumentare l'efficacia o la persistenza, o di ampliare lo spettro d'azione. 3.Modelli strutturali o funzionali (i cosiddetti lead compounds o leads): mediante studi di correlazione struttura-attività vengono identificati i gruppi chimici responsabili dell'attività biologica e i meccanismi d'azione a livello cellulare, per poi utilizzare questi elementi per la progettazione e la sintesi chimica di analoghi sintetici delle molecole naturali. In questo capitolo si propone una rassegna di sostanze microbiche già in uso o di possibile impiego per la lotta alle avversità biotiche delle colture, che, lungi dal voler essere completa (sarebbe impossibile nello spazio limitato di un capitolo), intende mettere in luce l'importanza e il grande potenziale tecnico-applicativo in agricoltura delle ricerche nel campo dei metaboliti microbici. Verranno esaminati composti microbici con attività insetticida, acaridida e nematocida per la lotta a fitofagi e fitomizi, composti con attività antibatterica e antifungina per la lotta alle fitopatie crittogamiche e sostanze con attività erbicida per il controllo delle erbe infestanti. Infine, un sottocapitolo a parte è dedicato ai metaboliti dei Trichoderma spp., tra i più diffusi e versatili agenti di biocontrollo, che con sempre maggiore evidenza appaiono capaci di instaurare complesse relazioni ecologiche con l'ambiente biotico intorno ad essi, inclusi piante, nematodi e insetti, nelle quali i metaboliti secondari rappresentano un elemento chiave.I documenti in IRIS sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
