I funghi biotrofi hanno sviluppato una gamma di “stili di vita” nel loro rapporto con le piante dal mutualistico al parassitario. I funghi micorrizici vescicolari-arbuscolari formano relazioni mutualistiche con le radici delle loro piante ospiti, in cui il fungo ottiene zuccheri dalla pianta e fornisce fosfati e altri minerali in cambio. All’altro estremo, i funghi dell’oidio e della ruggine formano una relazione obbligatoriamente parassitaria in cui la pianta ospite diventa una fonte di zuccheri, aminoacidi e altri nutrienti. Questi parassiti sviluppano un organo specializzato, l’haustorium (Fig. 1) all’interno delle cellule della pianta per il trasferimento dei nutrienti dalla cellula ospite al tallo fungino. Si presume che l’haustorio abbia un ruolo chiave nella capacità di questi parassiti di competere con la pianta in via di sviluppo per i fotoassimilati e altre sostanze nutritive, ma rimangono domande fondamentali sulla funzione dell’haustorio. Queste includono: Quali sono i principali nutrienti trasportati? Quali meccanismi sono coinvolti nel trasporto? In che modo i singoli componenti dell’interfaccia tra l’haustorio e la cellula ospite contribuiscono al flusso dei nutrienti? E in generale, come si relaziona la funzione dell’haustorio alla relazione biotrofica tra ospite e parassita? L’articolo di Voegele et al. (1) in questo numero di PNAS fornisce un importante progresso caratterizzando un trasportatore di zucchero situato all’interfaccia haustorio-ospite.

Un haustorium si forma quando un’ifa fungina specializzata penetra nella parete cellulare di una pianta e si espande all’interno della cellula (rif. 2; Fig. 1A). Tuttavia, l’haustorio non si trova direttamente nel citoplasma delle cellule vegetali; invece, è circondato da una membrana extraaustoriale, un derivato ispessito della membrana plasmatica delle cellule vegetali. Tra la membrana extraaustoriale e la parete haustoriale fungina si trova uno strato simile a un gel arricchito di carboidrati chiamato matrice extraaustoriale. L’haustorio stesso contiene un normale complemento di citoplasma, nuclei, mitocondri e altri organelli (Fig. 1A). Il citoplasma haustoriale è delimitato da una membrana plasmatica e dalla parete haustoriale (Fig. 1). Per passare dal citoplasma della pianta al citoplasma haustoriale, le sostanze devono passare sequenzialmente attraverso la membrana e la matrice extraaustoriale, la parete haustoriale e la membrana plasmatica haustoriale.

Lo sviluppo dell’haustorio è il passo finale di un percorso di infezione in cui la pianta ospite gioca un ruolo importante. Nel caso dei funghi della ruggine, l’infezione inizia tipicamente con la germinazione di una spora sulla superficie della foglia, seguita dallo sviluppo di un appressorio. Lo sviluppo dell’appressorio dipende da un segnale thigmotrofico innescato dalla topografia specifica della superficie della foglia della pianta ospite (3). Un chiodo d’infezione formato dall’appressorio entra nella foglia attraverso un poro (stoma), seguito dallo sviluppo di una vescicola substomatica, un’ifa d’infezione, una cellula madre haustoriale, la penetrazione di una cellula fotosintetica del mesofillo da parte di un chiodo e la costituzione di un haustorio. Membrane artificiali e superfici incise sono state utilizzate per imitare la topografia della superficie della foglia e indurre lo sviluppo di strutture di infezione in vitro (4-6). Tuttavia, lo sviluppo è incompleto e gli haustoria di solito non si formano a meno che non vengano aggiunti carboidrati (7).

Studi di assorbimento hanno dimostrato che zuccheri e aminoacidi vengono trasferiti dalla pianta ospite ai parassiti biotrofi (8-11) e supportano fortemente l’idea che gli haustoria abbiano un ruolo importante. Tuttavia, a causa della localizzazione intracellulare degli haustoria e della complessità dell’interfaccia haustoria-ospite, è stato difficile determinare quali processi di trasferimento sono coinvolti e dove si trovano. Negli ultimi anni è stato adottato un approccio diverso, in cui sono stati isolati i cDNA per i geni espressi nello sviluppo nelle strutture di infezione e negli haustoria (12, 13). Voegele et al. (1) hanno dimostrato che uno dei geni più abbondantemente espressi nell’haustorio della ruggine codifica un trasportatore di zucchero (HTX1). L’analisi dell’RNA ha dimostrato che questo gene era espresso negli haustori isolati dalle foglie, ma non in altre strutture di infezione indotte in vitro. Inoltre, gli autori hanno dimostrato che questo trasportatore di zucchero è localizzato nella membrana haustoriale e non nelle membrane delle ife intercellulari, fornendo così la prima prova diretta che l’assorbimento dello zucchero avviene nell’haustorio e suggerendo che l’haustorio può essere l’unico sito.

Il saccarosio è lo zucchero primario che viene trasportato nelle piante e, pertanto, è stato ipotizzato che l’haustoria possa importare direttamente il saccarosio. Studi recenti con il fungo dell’oidio indicano che il glucosio, piuttosto che il saccarosio, può essere lo zucchero importato (14, 15). I dati di Voegele et al. (1) dimostrano che il trasportatore di zucchero HXT1 ha una specificità per d-glucosio e d-fruttosio, confermando che il glucosio/fruttosio e non il saccarosio sono gli zuccheri primari importati dagli haustoria. Inoltre, gli autori hanno dimostrato che il trasporto del glucosio avviene attraverso un meccanismo di simporto protonico. Questi risultati supportano un modello di simporto protonico per il trasporto di nutrienti all’interfaccia haustoriale (rif. 16; Fig. 2). Una membrana H+-ATPasi genera un gradiente protonico attraverso la membrana plasmatica haustoriale, che fornisce l’energia per il trasporto di nutrienti (glucosio/fruttosio, aminoacidi) dalla matrice extraaustoriale nell’haustorio. L’instaurazione di un gradiente protonico è possibile perché la matrice extraaustoriale è un compartimento sigillato, delimitato dalla membrana extraaustoriale sul lato della pianta, la membrana haustoriale sul lato del fungo, e la banda del collo, che la sigilla dall’apoplasto. A sostegno di questo modello, sono stati isolati una H+-ATPasi di membrana plasmatica (17) e un trasportatore di aminoacidi (18).

Il lavoro di Voegele et al. (1) ha fornito un pezzo importante del puzzle riguardante la via di trasporto dei nutrienti attraverso l’interfaccia ospite-parassita nei funghi parassiti obbligati. Tuttavia, molte domande rimangono. Il saccarosio si diffonde dalla cellula della pianta ospite nella matrice extraaustoriale, o viene prima scisso nel citosol dell’ospite in glucosio e fruttosio? Quale enzima scinde il saccarosio? È l’invertasi, che è nota per aumentare nel tessuto fogliare infetto (19, 20), o in alternativa, la saccarosio sintasi? Una volta che il glucosio viene trasportato nell’haustorio, quale zucchero viene poi trasportato nelle ife intercellulari? È stato ipotizzato che il mannitolo possa svolgere questo ruolo (21). Inoltre, le cellule fotosintetiche del mesofillo, solitamente produttrici di saccarosio, che viene attivamente esportato, diventano importatrici nette quando vengono colonizzate dai funghi della ruggine. Come fa il parassita obbligato a manipolare l’ospite per cambiare il flusso di zuccheri? Ci sono regolatori genici che vengono secreti dall’haustorio fungino nella cellula della pianta che alterano queste vie? Quali altri composti attraversano questa interfaccia? Quali metodi sono usati dal fungo per eludere o sopprimere i meccanismi di difesa dell’ospite? I risultati di Voegele et al. (1) dimostrano elegantemente che approcci sperimentali multiformi possono fornire risposte al ruolo degli haustoria nelle interazioni ospite-parassita.

Note

• ↵* A chi devono essere indirizzate le richieste di ristampa. E-mail: lszabo{at}cdl.umn.edu.

• Vedi articolo di accompagnamento a pagina 8133.