Rhizobia – Fabaceae

Che cosa è la simbiosi Rhizobia - Fabaceae?

Perché questa simbiosi è fondamentale

  • Una delle interazioni mutualistiche più importanti negli ecosistemi terrestri.
  • Consente alle Fabaceae di accedere all’azoto atmosferico, altrimenti inutilizzabile.
  • Riveste un ruolo chiave in agricoltura sostenibile, cicli biogeochimici, ecologia dei suoli.

I protagonisti

Le Fabaceae

  • Famiglia botanica enorme (leguminose): trifogli, piselli, fagioli, soia, veccia, lupino, acacia ecc.
  • Caratteristiche: radici con potenziale nodulazione, alta richiesta di azoto, capacità di arricchire il suolo.

I Rhizobia

  • Comunità eterogenea di batteri del suolo capaci di instaurare noduli sulle radici.
  • Generi principali: Rhizobium, Bradyrhizobium, Sinorhizobium/Ensifer, Mesorhizobium, Azorhizobium.
  • Comportamento bifasico: vita libera nel suolo ↔ vita simbiontica nei noduli.

Come si riconoscono e si trovano: il dialogo molecolare

Il riconoscimento radice–batterio

  1. Le radici di Fabaceae rilasciano nell’ambiente molecole di segnale (flavonoidi).

  2. I Rhizobia presenti nel suolo rilevano questi segnali e rispondono producendo fattori Nod, messaggeri che:

    • attivano la curvatura dei peli radicali

    • modificano il comportamento di crescita della radice

    • avviano la formazione del nodo

È un linguaggio biochimico altamente specifico: ogni pianta “parla” con certi batteri e non altri.

4. La formazione del nodo radicale

4.1 Infezione

  • Il batterio entra nel pelo radicale attraverso un tubo di infezione.

  • L’infezione avanza verso l’interno fino ai tessuti corticali.

4.2 Organogenesi del nodulo

  • La radice attiva un programma genetico che induce la formazione di un nuovo organo: il nodulo.

  • Esistono due tipi principali:

    • Determinate: sferici, crescita limitata (es. soia).

    • Indeterminate: allungati, con zone funzionali ben distinte (es. trifoglio, veccia, alfalfa).

4.3 Differenziazione batterica

  • All’interno del nodule i batteri si trasformano in batteroidi, cellule altamente metaboliche specializzate per la fissazione dell’azoto.

  • Questo stato è irreversibile: fuori dal nodulo, il batteroide non sopravvive.

5. Cosa avviene dentro il nodulo

5.1 La fissazione dell’azoto

  • Gas N₂ atmosferico → forma azotata utilizzabile dalla pianta.

  • Processo energivoro, possibile solo grazie all’apporto di zuccheri forniti dalla pianta.

5.2 Ruolo della leghemoglobina

  • Pigmento rosso che dà ai noduli il tipico colore rosa.

  • Mantiene l’ossigeno a livelli bassi ma non troppo bassi:

    • troppo ossigeno = enzimi della fissazione si inattivano

    • troppo poco ossigeno = il batterio non riesce a produrre energia

  • Agisce come un “regolatore atmosferico” interno.

5.3 Scambi tra i partner

  • La pianta fornisce: carboidrati, ambiente protetto, controllo dell’ossigeno.

  • Il batterio fornisce: azoto ridotto (ammonio), che la pianta incorpora nelle sue biomolecole.

6. Specificità della simbiosi

  • Non tutte le Fabaceae si nodulano con gli stessi Rhizobia.

  • La specificità dipende:

    • dal tipo di flavonoidi emessi

    • dalla struttura dei fattori Nod

    • dalla compatibilità genetica tra ospite e simbionte

  • Esistono coppie altamente specifiche (es. Medicago–Sinorhizobium) e coppie “generaliste”.

7. Ecologia della simbiosi

7.1 Nel suolo

  • I Rhizobia vivono come saprofiti quando non sono nel nodulo.

  • La loro abbondanza dipende da:

    • pH

    • struttura del suolo

    • presenza di piante ospiti

    • inibizione o concorrenza di altri microbi

  • I noduli, quando si degradano, rilasciano azoto al suolo → funzione ecosistemica.

7.2 Nelle colture agrarie

  • Rotazioni con leguminose riducono l’uso di fertilizzanti azotati.

  • Inoculi specifici aumentano resa e fissazione.

  • L’efficacia dipende dalla compatibilità ospite–ceppo, condizioni del suolo, concorrenza microbica.

8. Variazioni anatomiche e funzionali dei noduli

8.1 Noduli determinati vs indeterminati

  • Determinati: ciclo funzionale uniforme, vita breve.

  • Indeterminati: zone concentriche con batteri in diversi stati (infezione, divisione, fissazione, senescenza).

8.2 Noduli “efficaci” vs “inefficaci”

  • Inefficaci:

    • poco o nessun colore rosa (scarsa leghemoglobina)

    • batteroidi non differenziati

    • pianta ingiallita (carenza di N)

  • Cause: ceppo sbagliato, stress del suolo, pH acidi, salinità, fertilizzazione azotata eccessiva.

9. La simbiosi come caso studio di coevoluzione

  • Selezione naturale reciproca:

    • piante che riconoscono simbionti affidabili

    • batteri che ottimizzano la produzione di fattori Nod

  • Meccanismi di “controllo” della pianta:

    • la pianta può premiare i noduli più efficaci fornendo più risorse

    • può punire noduli inefficaci riducendo il flusso di ossigeno o nutrienti

10. Implicazioni applicative

10.1 Agricoltura rigenerativa

  • Le Fabaceae, attraverso i Rhizobia:

    • aumentano la fertilità del suolo

    • arricchiscono la sostanza organica

    • sostengono il microbioma radicale

  • Essenziali nei sistemi low-input e nella riduzione dell’impronta di carbonio.

10.2 Biotecnologie

  • Selezione di ceppi ad alta efficienza.

  • Progetti per trasferire la nodulazione a piante non leguminose (ancora sperimentale).

  • Possibilità di editing genetico per migliorare specificità e resa.

Il dialogo molecolare in dettaglio

Molecole rilasciate dalla radice: i flavonoidi

Le radici di Fabaceae rilasciano nel rizosfera flavonoidi, la cui struttura di base è:

Flavonoide=C6H4-CO-CH=CH-CO-C6H4

Esempi classici coinvolti nella nodulazione:

Luteolina (C15H10O6)

C15H10O6\mathrm{C}_{15}\mathrm{H}_{10}\mathrm{O}_{6}

Genisteina (C15H10O5)

C15H10O5\mathrm{C}_{15}\mathrm{H}_{10}\mathrm{O}_{5}

Funzione: attivano nella cellula batterica il sistema regolativo NodD–DNA, inducendo la trascrizione dei geni nod.

2. Risposta batterica: sintesi dei fattori Nod (Nod factors)

I Nod factors sono lipochito-oligosaccaridi (LCO).

Struttura base del chito-oligosaccaride:

(GlcNAc)ncon n=3–5\text{(GlcNAc)}_n \quad \text{con } n=3–5

dove:

GlcNAc=C8H15NO6\text{GlcNAc} = \mathrm{C}_{8}\mathrm{H}_{15}\mathrm{NO}_{6}

Struttura minima di un Nod factor:

N-acetil-D-glucosamina4-β1→4-N-acetil-D-glucosamina\text{N-acetil-D-glucosamina}_4\text{-}\beta 1\to 4\text{-N-acetil-D-glucosamina}

Modificazioni tipiche:

  • Acilazione all’unità terminale:

–CO–(CH2)n–CH3\text{–CO–(CH}_2)_n\text{–CH}_3

  • Solfatazione:

–OSO3−\text{–OSO}_3^{-}

  • Carbossilazione:

–COO−\text{–COO}^{-}

Esempio (per Rhizobium meliloti):

(GlcNAc)4–N-acil–OSO3−\mathrm{(GlcNAc)}_{4}\text{–N-acil–OSO}_3^-

Funzione: inducono la curvatura del pelo radicale e l’inizio del tubo di infezione.

3. Attivazione dei geni nod

Il flavonoide entra nel batterio → lega la proteina attivatrice NodD.

Complesso attivo:

Flavonoide+NodD⟶NodD∗\text{Flavonoide} + \text{NodD} \longrightarrow \text{NodD}^*

Questo complesso si lega ai promotori nod-box e avvia:

RNA polimerasi→NodD∗Trascrizione dei geni nodABC\text{RNA polimerasi} \xrightarrow{\text{NodD}^*} \text{Trascrizione dei geni } \textit{nodABC}

I geni nodABC codificano gli enzimi che assemblano i fattori Nod.

4. Interazione Nod factor – radice

I fattori Nod si legano a recettori di membrana della radice: NFR1/NFR5.

Reazione di legame:

Nod-LCO+NFR1/NFR5⟶Complesso attivato\text{Nod-LCO} + \text{NFR1/NFR5} \longrightarrow \text{Complesso attivato}

L’attivazione induce un segnale intracellulare basato su oscillazioni di Ca²⁺.

Pulsazione tipica del Ca²⁺:

[Ca2+]nucleo↑↓↑↓[\mathrm{Ca}^{2+}]_{\text{nucleo}} \uparrow \downarrow \uparrow \downarrow

Questo porta all’espressione di geni nodulatori della pianta:

  • ENOD11

  • NIN

  • NSP1/NSP2

5. Curvatura del pelo radicale

La presenza di LCO induce uno sbilanciamento nella deposizione di parete:

Depolimerizzazione locale della cellulosa

(C6H10O5)n⟶(C6H10O5)n−k(\mathrm{C}_{6}\mathrm{H}_{10}\mathrm{O}_{5})_n \longrightarrow (\mathrm{C}_{6}\mathrm{H}_{10}\mathrm{O}_{5})_{n-k}

Accrescimento asimmetrico

PARETE A≠PARETE B⇒Curvatura del pelo\text{PARETE A} \neq \text{PARETE B} \quad \Rightarrow \quad \text{Curvatura del pelo}

6. Ingresso del batterio: formazione del tubo di infezione

Il tubo di infezione deriva da una sintesi localizzata di parete di tipo callosico.

Callosio (β–1,3 glucano):

(C6H10O5)n(\mathrm{C}_{6}\mathrm{H}_{10}\mathrm{O}_{5})_{n}

La polimerizzazione del callosio è guidata da enzimi attivati dal segnale LCO e da Ca²⁺:

UDP–Glucosio⟶(C6H10O5)n+UDP\text{UDP–Glucosio} \longrightarrow (\mathrm{C}_{6}\mathrm{H}_{10}\mathrm{O}_{5})_{n} + \mathrm{UDP}

7. Formazione del nodulo: attivazione dei geni nodulatori vegetali

La pianta avvia la formazione del primordio nodulare attraverso ormoni:

  • Aumento citochinine

  • Riduzione auxine (localmente)

Citochinine (es. zeatina):

C10H13N5O\mathrm{C}_{10}\mathrm{H}_{13}\mathrm{N}_{5}\mathrm{O}

Riduzione locale di IAA (acido indol-3-acetico):

C10H9NO2\mathrm{C}_{10}\mathrm{H}_{9}\mathrm{NO}_{2}

8. Differenziazione batterica in batteroidi

La pianta fornisce al batterio un microambiente ipossico regolato dalla:

Leghemoglobina

Gruppo eme + proteina:

Heme Fe2++globina⟶Leghemoglobina (Fe2+)\text{Heme Fe}^{2+} + \text{globina} \longrightarrow \text{Leghemoglobina (Fe}^{2+}\text{)}

La leghemoglobina lega O₂ reversibilmente:

Lb-Fe2++O2⇌Lb-Fe3+O2−\text{Lb-Fe}^{2+} + \mathrm{O}_{2} \rightleftharpoons \text{Lb-Fe}^{3+}\mathrm{O}_{2}^{-}

9. Fissazione dell’azoto

La nitrogenasi catalizza:

N2+8H++8e−+16ATP⟶2NH3+H2+16ADP+16Pi\mathrm{N}_{2} + 8\mathrm{H}^{+} + 8\mathrm{e}^{-} + 16\mathrm{ATP} \longrightarrow 2\mathrm{NH}_{3} + \mathrm{H}_{2} + 16\mathrm{ADP} + 16\mathrm{P}_{i}

L’ammoniaca poi reagisce con protoni:

NH3+H+⟶NH4+\mathrm{NH}_{3} + \mathrm{H}^{+} \longrightarrow \mathrm{NH}_{4}^{+}

La pianta incorpora NH4+\mathrm{NH}_{4}^{+} nel metabolismo degli aminoacidi (via GS-GOGAT).

10. Riepilogo del dialogo molecolare con formule

  1. Flavonoidi (es. luteolina, genisteina)
    ⇒\Rightarrow attivano NodD nei Rhizobia

  2. NodD* attiva la trascrizione dei geni nodABC

  3. Sintesi dei fattori Nod (LCO)

    (GlcNAc)4+acile+SO3−(\text{GlcNAc})_4 + \text{acile} + \text{SO}_3^{-}

  4. Legame LCO–recettore NFR1/5
    ⇒\Rightarrow onde di Ca²⁺

  5. Curvatura del pelo → tubo di infezione (callosio)

  6. Citochinine + riduzione IAA → organogenesi del nodulo

  7. Leghemoglobina → regolazione O₂

  8. Nitrogenasi:

    N2→NH3\mathrm{N}_{2} \rightarrow \mathrm{NH}_{3}