I risultati di un inedito lavoro di ricerca dimostrano, in laboratorio, come piante-madri infettate impediscono che il proprio virus venga trasmesso ai semi delle future piantine, in un percorso di immunosoppressione della trasmissione verticale geneticamente definito.

L’antica pratica della monocoltura – e, in tempi più recenti, dell’agricoltura industriale – ha condotto, a livello globale, a una serie di conseguenze negative per l’ambiente e la biodiversità.

Lo sfruttamento di ampie aree di terreno per coltivare, in maniera intensiva, singole specie vegetali, non solo, col tempo, ha impoverito i suoli e ha contribuito a innalzare la concentrazione di anidride carbonica nell’atmosfera, ma ha anche reso le colture più fragili, maggiormente attaccabili da parte di agenti patogeni di diversa natura [fonte: “Monoculture” – Science Direct].

A tale riguardo, un lavoro del 2021 a cura dell’Institute of Agriculture, presso l’University of Western Australia (“Global Plant Virus Disease Pandemics and Epidemics” – Plants), ha evidenziato come quasi la metà (47%) degli agenti patogeni che, in tutto il mondo, provocano malattie infettive ai danni di organismi vegetali, siano virus.

Denominati anche “fitovirus”, i virus che attaccano le piante – comprese le colture frutticole e orticole – si comportano esattamente come le infezioni virali a carico dell’organismo umano, ossia penetrando nelle cellule, distruggendole, e innescando il focolaio della malattia.

Monocoltura e agricoltura intensiva a parte, l’autore dello studio australiano fa notare come, nel corso dell’ultimo decennio, «al rapido peggioramento della situazione mondiale relativa alle malattie virali delle piante abbia contribuito, in primo luogo, l’espansione del commercio internazionale di prodotti vegetali, tra cui il commercio di sementi, reo di avere introdotto fitovirus dannosi in quelle parti del mondo dove prima erano assenti». Ma procediamo con ordine.


I virus vegetali sono il nemico numero uno di agricoltura, orticoltura e frutticoltura. La loro trasmissione attraverso sementi precedentemente infettate dalla pianta-madre (ma asintomatiche per anni) ne promuove la diffusione transcontinentale e costituisce una fonte di infezione capace di innescare epidemie e pandemie devastanti nelle colture di tutto il mondo.
Lo studio dell’Institute for Integrative Genome Biology dell’Ateneo californiano di Riverside ha inquadrato il meccanismo di inibizione della trasmissione virale madre-figlio, osservando la risposta immunitaria di cento piante di Arabidopsis thaliana infettate dal virus del mosaico del cetriolo. Al centro del processo, i frammenti più piccoli dell’RNA – short interfering RNA – coinvolti nel blocco della produzione di proteine da parte del virus invasore.
La scoperta del percorso immunitario che impedisce la trasmissione del virus dalla pianta madre a tutta la progenie, in futuro, se convalidato al di fuori dai laboratori di ricerca come metodologia applicativa, non solo si tradurrebbe in raccolti più integri e sani, ma potrebbe inaugurare nuovi scenari di ricerca sulla prevenzione della trasmissione verticale dei virus negli esseri umani, dalla madre al feto.

Le principali malattie virali delle piante, epidemiche e pandemiche

Le patologie infettive delle piante sono un fenomeno antico e cangiante. Il primo fitovirus fu descritto nel 1892 dal botanico e biologo russo Dmitrij Ivanovskij e faceva riferimento al “virus del mosaico del tabacco” (Tobacco Mosaic Virus – TMV), il quale infetta molte specie vegetali – tra cui barbabietole, cetrioli, mais, patate e piselli – provocando una sorta di “mosaico” giallo sulle loro foglie [fonte: “Plant virology” – National Library of Medicine].

Da quel momento, la ricerca si è focalizzata, in particolare, sulle infezioni che causano malattie gravi nelle piante, specie in quelle utilizzate per l’alimentazione umana e degli animali.

Il già mezionato studio dell’University of Western Australia indica i principali esempi di malattie epidemiche delle piante (che si verificano «quando una malattia si diffonde su un’area in cui il suo agente causale è presente già da molto tempo»). Esse sono:

  • malattia del grano causata dal “virus della nana gialla d’orzo” (Barley Yellow Dwarf Virus)
  • mosaico striato del frumento, malattia indotta dal virus della famiglia Potyviridae
  • placche e verruche anulari del tubero, riconducibili al Tobacco Rattle Virus (TRV)
  • giallo necrotico della fava, originato dal Broad Bean Wilt and Allied Viruses (BBWV)
  • malattia del pomodoro provocata dal “virus del mosaico del pepino” (Pepino Mosaic Virus o PepMV)
  • frutto rugoso marrone del pomodoro, malattia connessa al TOmato Brown Rugose Fruit Virus (TOBRFV)
  • malattia del cetriolo, procurata dal Cucumber Mosaic Virus CMV)

Inoltre, l’autore elenca anche i sei maggiori esempi di malattie pandemiche delle piante (che si verificano, invece, «quando le epidemie causano infezioni di massa in diversi continenti»):

Immagine che ritrae una serie di colture aggredite da virus, tra cui: A) Pianta di pomodoro con sintomi del frutto rugoso marrone (credit: @Volcani Center/Aviv Dombrovsky); B) frutti di pomodoro infettati da un grave ceppo di virus del mosaico del pepino (credit: @Organizzazione nazionale olandese per la protezione delle piante/Marlene Botermans); C) frutti di pomodoro raccolti, con sintomi del virus del mosaico del pepino (credit: @Centro Vulcani/Aviv Dombrovsky); D) piante di cetriolo: quelle a destra mostrano sintomi della malattia del mosaico screziato verde sulle loro foglie e arresto della crescita, come quella in basso a sinistra, che mostra un grave arresto della crescita e riduzione della dimensione delle foglie; E) frutti di cetriolo con screziature causate dalla malattia del mosaico screziato verde (credit: @Volcani Center/Aviv Dombrovsky); F) frutti di melone con screziatura clorotica (a sinistra) e screziatura gialla (a destra), causate dalla malattia del mosaico screziato verde (credit: @Volcani Center/Aviv Dombrovsky); G) frutto di anguria con malattia del mosaico a chiazze verdi, che mostra polpa gialla spugnosa e gambo con lesioni necrotiche (fonte: “Global Plant Virus Disease Pandemics and Epidemics” - UWA Institute of Agriculture, University of Western Australia - https://www.mdpi.com/2223-7747/10/2/233).
A) Pianta di pomodoro con sintomi del frutto rugoso marrone (credit: @Volcani Center/Aviv Dombrovsky); B) frutti di pomodoro infettati da un grave ceppo di virus del mosaico del pepino (credit: @Organizzazione nazionale olandese per la protezione delle piante/Marlene Botermans); C) frutti di pomodoro raccolti, con sintomi del virus del mosaico del pepino (credit: @Centro Vulcani/Aviv Dombrovsky); D) piante di cetriolo: quelle a destra mostrano sintomi della malattia del mosaico screziato verde sulle loro foglie e arresto della crescita, come quella in basso a sinistra, che mostra un grave arresto della crescita e riduzione della dimensione delle foglie; E) frutti di cetriolo con screziature causate dalla malattia del mosaico screziato verde (credit: @Volcani Center/Aviv Dombrovsky); F) frutti di melone con screziatura clorotica (a sinistra) e screziatura gialla (a destra), causate dalla malattia del mosaico screziato verde (credit: @Volcani Center/Aviv Dombrovsky); G) frutto di anguria con malattia del mosaico a chiazze verdi, che mostra polpa gialla spugnosa e gambo con lesioni necrotiche (fonte: “Global Plant Virus Disease Pandemics and Epidemics” – UWA Institute of Agriculture, University of Western Australia – https://www.mdpi.com/2223-7747/10/2/233).

Virus delle piante, in aumento i casi di infezione

Nell’articolo “The persistent threat of emerging plant disease pandemics to global food security”, a cura dellaKansas State University, pubblicato sulla rivista scientifica PNAS – Proceedings of the National Academy of Sciences, organo ufficiale della United States National Academy of Sciences, gli autori rimarcano l’aumento, in numerose aree del mondo (soprattutto in quelle più fragili sotto il profilo socio-economico) delle epidemie di patologie virali delle piante, responsabili di minacciare la sicurezza alimentare di quei paesi.

«Quando molte piante vengono infettate sistematicamente da un virus e questa infezione si propaga al punto da causare una pandemia virale o una grande epidemia nelle colture alimentari di base, i rischio è la riduzione delle scorte di cibo, provocando gravi carenze alimentari». Si calcola che, nel 2014, le pandemie e le epidemie virali delle piante, abbiano registrato un impatto economico globale di oltre 30 miliardi di dollari all’anno. Trascorsi, ormai, dieci anni, «il loro attuale impatto economico in termini di dollari USA è aumentato considerevolmente, a causa dell’intensificarsi dell’agricoltura globale e della domanda di prodotti vegetali necessari a nutrire la popolazione umana in rapida espansione» [fonte: “Crop losses caused by viruses” – Crop protection].

Dando uno sguardo al nostro tempo, in Ghana e in altri paesi dell’Africa occidentale, ad aprile 2024, è stata registrata la rapida diffusione del virus noto col nome di “cacao swollen shoot virus” (CSSV), ritenuto la causa di una delle più nefaste patologie virali della pianta del cacao, correlata al rischio di una perdita di resa, per gli agricoltori, che va dal 15 al 50%.

E, ancora, a luglio 2024, il Servizio Fitosanitario Regionale della Sardegna ha rilevato, nella zona corrispondente all’agrumeto di Citrus reticulata Valley Gold, il Citrus Tristeza Virus (che, come accennato colpisce, gli agrumi), delimitando tutto il territorio infestato.

Un altro dei numerosi esempi riguarda la già citata “violatura delle drupacee” (o “sharka”), la più grave malattia virale ai danni di alberi da frutta come il pesco, il susino, l’albicocco, il mandorlo e il ciliegio e, purtroppo, presente in Italia e in numerosi altri paesi a livello mondiale.

I meccanismi di interazione pianta-virus

Dai processi che segnano l’interazione tra la pianta ospite e il virus deriva lo sviluppo della sintomatologia a carico dell’organismo vegetale colpito dall’infezione, espressa – all’esterno – con l’alterazione delle dimensioni della sua struttura, delle foglie e dei frutti, oppure attraverso macchie, cambi di colore, striature, verruche, rugosità e – più in profondità – con l’alterazione del sapore dei frutti e della consistenza della loro polpa, fino ad arrivare all’assenza completa di foglie e/o di frutto.

In risposta al virus, si erge il sistema immunitario delle piante, mediante una serie di meccanismi di difesa antivirale classificati in “passivi” e “attivi”: i primi prevedono «la mancata produzione, da parte della pianta stessa, di uno o più fattori richiesti per la riproduzione del virus; la difesa attiva include, invece, il rilevamento e la distruzione dell’agente virale per mezzo del silenziamento genico con interferenza dell’RNA» [fonte: “Plant virus” – Science Direct]. Dove per “interferenza mediata dall’RNA” si intende «una risposta biologica in grado di disattivare l’espressione genica in una vasta gamma di organismi, compresi quelli patogeni» [fonte: “RNA Interference: Biology, Mechanism, and Applications” – National Library of Medicine].

Ricordiamo che l’RNA (acronimo inglese di RiboNucleic Acid, cioè “acido ribonucleico”) è un acido presente nel nucleo delle cellule insieme al DNA, «implicato in vari ruoli biologici, quali la codifica, la regolazione e l’espressione dei geni, in particolare la sintesi proteica».

Importante da sottolineare, il fatto che, nella fase di trasmissione a un nuovo ospite (un’altra pianta), «i virus dipendono da proteine specifiche, in grado di modificare i componenti strutturali della cellula proprio per consentire il trasporto di proteine virali e materiale genomico in un altro organismo vegetale» [fonte: “The molecular mechanism of efficient transmission of plant viruses in variable virus–vector–plant interactions” – Science Direct, 2021].

L’osservazione e la comprensione delle dinamiche che regolano l’interazione pianta-virus sono, a loro volta, necessarie a una maggiore comprensione sia della natura evolutiva dei fitovirus, sia dei loro meccanismi di trasmissione.

Anche il team che ha lavorato ad “Antiviral RNA interference inhibits virus vertical transmission in plants” (Cell Host & Microbe, settembre 2024), composto dai ricercatori dell’Institute for Integrative Genome Biology dell’University of California, a Riverside, insiste sul commercio di sementi quale via principe per la diffusione, da un paese all’altro, delle infezioni virali delle piante. Sementi infettate – fanno notare – poiché l’infezione virale è stata trasmessa loro dai “genitori”, ovvero dalla “pianta madre”, tramite quella che, nel campo della genetica, è definita “trasmissione per linea verticale”.

La trasmissione verticale dei fitovirus

«fitovirus trasmessi dai genitori alla progenie possono rimanere nascosti nei semi delle future giovani piante per anni, per poi manifestarsi all’improvviso con la sintomatologia specifica» osserva il gruppo di studiocaliforniano. E questo rappresenta, a livello globale, una delle preoccupazioni costanti degli agricoltori.

Nei mammiferi, compreso l’essere umano, la trasmissione verticale genitore-figlio di agenti virali come, ad esempio, l’HIV (acronimo inglese di Human Immunodeficiency Virus) è rara, «probabilmente a causa della presenza di diversi meccanismi di immunità antivirale, inclusi gli anticorpi materni trasferiti passivamente».

Al contrario, la trasmissione verticale dei virus vegetali attraverso i semi è più frequente, anche se spesso a tassi molto bassi (ma sufficienti, in relazione all’elevato numero di semi commercializzati in tutto il mondo, a infettare interi raccolti):

«Quando una pianta madre affetta da un virus produce, ad esempio, 100 semi, solo una percentuale compresa tra lo 0 e il 5% delle piantine rischia di essere infettata. Per un secolo gli scienziati si sono chiesti in che modo questo possa avvenire. In che modo, cioè, le piante madri riescono a impedire che il virus si diffonda a tutte o comunque alla maggior parte delle giovani piante»

Questo l’interrogativo dal quale ha preso il via il lavoro di ricerca degli scienziati dell’University of California.

Nel dettaglio, lo studio ha visto la realizzazione di un esperimento su centinaia di varietà di una piccola pianta della famiglia della senape, l’Arabidopsis thaliana, nelle quali è stato inoculato il virus del mosaico del cetriolo (Cucumber Mosaic Virus – CMV), capace di infettare oltre mille specie di piante diverse. I suoi sintomi sono ingiallimento, macchie a forma di anello e la comparsa di segni sulle superfici di foglie e frutti.

L’obiettivo era quello di osservare e analizzare le risposte delle piante scoprire quali geni rendono loro stesse e la loro discendenza più resistenti al virus CVM.

Il percorso immunitario che impedisce la trasmissione del virus dalla pianta-madre a tutta la progenie

Durante l’osservazione della risposta immunitaria da parte delle cento varietà di Arabidopsis thaliana, il team si è concentrato, in particolare, sull’azione di due geni, entrambi dal ruolo centrale durante le prime fasi dello sviluppo del seme e, tra tutti, quelli più operosi nell’azione antivirale. Più precisamente, i ricercatori hanno rilevato che questi geni hanno una propria funzione anche nella già citata interferenza mediata dall’RNA (o RNA interference), che – ricordiamo – consiste in una risposta biologica volta a silenziare l’espressione genica in un’ampia gamma di organismi, anche patogeni.

Come funziona, di preciso, tale interferenza? Spiegano gli autori:

«Le informazioni genetiche contenute nelle cellule – in cui potrebbe trovarsi anche un virus – vengono trasferite dal DNA all’RNA e, quindi, alle proteine. Questa è la sintesi proteica. Talora, in tale processo, accade che il doppio filamento dell’RNA venga tagliato e che i suoi frammenti più piccoli, chiamati siRNA (short interfering RNA), vengano utilizzati per “interferire” nella sintesi descritta, per bloccare la produzione di proteine, alcune delle quali potrebbero provenire proprio dal virus invasore»

Molte piante – aggiungono – producono short interfering RNA specificatamente per controllare e inibire le infezioni virali. E queste stesse piante sono in grado di prevenire – nello specifico – le infezioni ai danni dei semi, «perché l’azione di interferenza dell’RNA antivirale è attiva già dal momento in cui i semi si sviluppano all’interno delle piante madri». Questa la scoperta.

Per validare questa ipotesi, il team ha ricreato in laboratorio “piante mutanti”, cioè prive di due geni strategici nel processo di RNA interference. Geni che, a loro volta, creano due enzimi delle piante, chiamati dicer-like 2 e dicer-like 4, senza i quali gli organismi vegetali non possono produrre siRNA per inibire le infezioni causate dai virus.

Insomma, il gruppo di lavoro, per dimostrare la propria tesi, ha ideato piante senza alcun percorso immunitario antivirale. E conclude:

«Le piante mutanti sono cresciute e hanno prodotto semi normalmente. Tuttavia, quando è staro loro inoculato il virus del mosaico del cetriolo, hanno sviluppato sintomi molto gravi. Hanno iniziato a produrre meno semi e, cosa più decisiva, c’è stato un aumento pari a dieci volte, rispetto alle varietà di Arabidopsis thaliana non mutanti, della velocità di trasmissione del virus ai semi. Fino al 40% delle nuove piantine sono state infettate»

Glimpses of Futures

Il lavoro di ricerca descritto ha messo a fuoco come un organismo vegetale infettato sia in grado, attraverso un percorso di immunosoppressione della trasmissione verticale geneticamente definito, di impedire che il proprio virus venga trasmesso ai semi delle future piantine. Il focus è sulla funzione dell’RNA interference nelle piante, specificatamente indirizzata al silenziamento delle infezioni virali.

Con l’obiettivo di anticipare possibili scenari futuri, proviamo ora ad analizzare – servendoci della matrice STEPS – gli impatti che l’evoluzione dello schema di immunosoppressione illustrato (grazie al suo rafforzamento per mano dei biotecnologi) potrebbe avere sotto il profilo sociale, tecnologico, economico, politico e della sostenibilità.

S – SOCIAL: i virus vegetali sono la piaga dell’agricoltura, comprese orticoltura e frutticoltura. La loro trasmissione attraverso le sementi ne promuove la diffusione transcontinentale e costituisce una fonte di infezione capace di innescare epidemie e pandemie devastanti nelle colture. In uno scenario futuro, se il percorso di immunosoppressione basato sull’interferenza dell’RNA antivirale nelle piante dovesse divenire uno schema definito e acquisito fuori dai laboratori di ricerca, si avrebbe la soppressione della trasmissione dei virus ai semi (la progenie delle piante infettate) e, conseguentemente, raccolti più integri e sani. Ma non solo. Poiché l’interferenza mediata dall’RNA in funzione antivirale è una risposta biologica attiva anche nei mammiferi, la scoperta dell’Institute for Integrative Genome Biology presso l’University of California a Riverside, potrebbe contribuire a una nuova linea di studi nell’ambito della trasmissione verticale dei virus negli esseri umani, dalla madre al feto.

T – TECHNOLOGICAL: avvalendosi delle tecniche di ingegneria genetica e delle biotecnologie, in futuro si potrà testare la possibilità di ridurre ulteriormente i tassi di trasmissione del virus preso in esame dai ricercatori californiani (Cucumber Mosaic Virus – CMV), rafforzando il percorso immunitario identificato nei semi già nel momento in cui questi si sviluppano all’interno delle piante-madri. Come anticipato, dato che questo percorso è presente in una varietà di organismi, inclusi invertebrati, funghi e mammiferi, la scoperta descritta potrebbe avere impatti positivi anche sulla ricerca in tema di prevenzione delle malattie, sia animali che umane. In particolare, i ricercatori californiani ipotizzano un futuro intervento sul virus umano Zika – trasmesso dalla puntura di zanzare infette – simile al virus della febbre gialla, della dengue, dell’encefalite giapponese e dell’encefalite del Nilo occidentale che, se presente anche in maniera latente nell’organismo della madre, «durante la gravidanza può causare gravi difetti alla nascita, tra cui microcefalia e altre anomalie cerebrali». Quanto rilevato relativamente alla trasmissione verticale del virus CMV, potrebbe supportare la comunità scientifica internazionale nella riduzione del tasso di trasmissione verticale di Zika: «sappiamo che questo virus esprime diverse proteine che bloccano la via di interferenza dell’RNA, quindi potrebbe essere possibile prevenire, mediante la messa a punto di farmaci ad hoc, la trasmissione verticale per mezzo di tecniche di inibizione della funzione di queste proteine».

E – ECONOMIC: si intuisce appieno la portata socio-economica dei risultati del lavoro illustrato guardando ai dati numerici relativi all’impatto economico globale delle malattie virali delle piante. L’American Phytopathological Society ci ricorda che i fitovirus causano perdite di rendimento fino al 40% nelle principali colture (mais, riso e grano in testa), con conseguenti perdite economiche mondiali annuali di circa 220 miliardi di dollari. «I virus più distruttivi e diffusi, tali da costituire una minaccia globale per l’umanità, conducono a notevoli perdite di rendimento in quindici diverse colture, tra cui grano, orzo, mais, patate, barbabietola da zucchero, tabacco e cotone» [fonte: Economic significance of viruses in field crops – Viral Diseases of Field and Horticultural Crops, 2024].

P – POLITICAL: in un futuro in cui, in seguito all’evoluzione del percorso di immunosoppressione evidenziato dagli autori – e grazie all’impiego di tecniche di ingegneria genetica e biotech – si potrà intervenire, rafforzandoli, sui meccanismi di risposta immunitaria individuati negli organismi vegetali per ridurre e azzerare del tutto i tassi di trasmissione dei fitovirus, particolare attenzione dovrà essere rivolta alla supervisione dell’analisi dei rischi, al  fine di garantire sempre sicurezza alimentare e sicurezza per salute umana e l’ambiente, come accade con tutte le più recenti scoperte scientifiche della genetica applicate alle sfere della dimensione umana, in modo particolare a quelle che riguardano l’asse cibo-alimentazione. A tale proposito, rammentiamo che il 24 gennaio 2024 l’European Parliament Committee on the Environment, Public Health and Food Safety ha approvato la proposta del disegno di legge sulla produzione di piante agricole derivate dall’utilizzo di forbici genetiche, considerato un traguardo dalla portata storica verso la sostenibilità alimentare e ambientale, sociale ed economica, nell’Unione Europea.

S – SUSTAINABILITY: individuare e ricostruire il percorso di immunosoppressione della trasmissione verticale, che consente alla pianta-madre infettata di impedire che il proprio virus venga trasmesso ai semi delle future piantine, ha un significato rilevante dal punto di vista della sostenibilità alimentare, ambientale, sociale ed economica, in quanto ci proietta in un futuro in cui diverrà possibile arrivare ad azzerare epidemie e pandemie virali delle piante (compreso l’utilizzo di sostanze chimiche per debellarle) e le carestie alimentari correlate, rafforzando la sicurezza alimentare globale e riuscendo a evadere la domanda di prodotti vegetali necessari a nutrire la popolazione in rapida espansione. Le popolazioni dei paesi più poveri saranno quelle che maggiormente beneficeranno del futuro, possibile, progredire del meccanismo di immunosoppressione identificato dal team di studio.

Scritto da: