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Funzioni e meccanismi dei PGPR in natura

I PGPR (Plant Growth-Promoting Rizhobacteria) sono batteri in grado di migliorare le capacità di crescita delle piante grazie ad associazioni simbiotiche con esse. Questi batteri colonizzano un sottile strato del suolo che circonda le radici delle piante, la rizosfera. Questa è una zona molto ricca di risorse e attività biologica (soprattutto microbiologica), dunque con condizioni ideali per l’instaurarsi di relazioni simbiotiche tra batteri e pianta[1].

Funzioni dei PGPR

I PGPR, secondo le loro proprietà funzionali, possono essere classificati in quattro gruppi principali:

  • biofertilizzanti, che aumentano la diosponibilità di nutrienti nel suolo;
  • fitostimolatori, che stimolano la crescita delle piante attraverso meccanismi specifici o non specifici;
  • rizobatteri capaci di risanare siti contaminati, che modulano la concentrazione di inquinanti (come metalli pesanti) attraverso, ad esempio, processi di solubilizzazione di questi;
  • biopesticidi, che controllano eventuali patogeni e malattie della pianta attraverso la secrezione di enzimi litici e composti metabolici secondari[2].
Fig.1 Classificazione dei PGPR in base alle loro funzioni da Manoji S.R. et al., 2020

Meccanismi di promozione della crescita della pianta dei PGPR

I PGPR sono in grado di indurre la crescita della pianta con meccanismi specifici o non specifici. Attraverso i primi, i batteri promuovono la crescita facilitando la disponibilità di nutrienti nel suolo e stimolando la crescita radicale; attraverso i secondi, invece, tali batteri sono in grado di migliorare la crescita della pianta diminuendo la tossicità indotta dai metalli pesanti e da eventuali patogeni e migliorando l’induzione di sistemi di resistenza della pianta. Vediamo adesso alcuni esempi sia di meccanismi specifici che non specifici.

Meccanismi specifici

Come già accennato, questi meccanismi sono utilizzati per migliorare la crescita della pianta mettendo a disposizione nutrienti essenziali e stimolando la crescita radicale delle stessa. Questo è possibile grazie alla produzione di sostanze e/o metaboliti come fitormoni, siderofori, ammoniaca e, con essa, la conseguente disponibilità dei nutrienti nel suolo grazie alla solubilizzazione dei fosfati, fissazione dell’azoto e mineralizzazione di composti organici[2].

Produzione di fitormoni

I fitormoni regolano la crescita della pianta modulando varie funzioni fisiologiche e metaboliche della pianta. Tra questi, si ritrovano:

  • la auxine, che giocano un ruolo fondamentale nell’induzione e nella proliferazione del sistema radicale della pianta;
  • le citochinine, implicate nella crescita e differenziazione cellulare, formazione del germoglio, inibizione dell’allungamento radicale e regolazione dell’attività del meristema radicale;
  • etilene, implicato nella regolazione della crescita della pianta in diverse condizioni di stress ambientale[2].

Produzione di siderofori e ammoniaca

I siderofori sono proteine a basso peso molecolare contenenti ferro, in particolare con alta affinità per Fe³+, e implicati in diverse attività fisiologiche. Le piante hanno bisogno di Fe per numerose reazioni metaboliche (come il ciclo degli acidi tricarbossilici, la catena di trasporto degli elettroni ecc). Queste proteine convertono Fe³+ (forma insolubile) in Fe²+ (forma solubile), aumentando così la disponibilità di ferro nella rizosfera e la possibilità di assorbimento di questo metallo da parte della pianta.

L’ammoniaca e composti azotati sono nutrienti essenziali per tutte le forme di vita, essendo l’azoto un elemento fondamentale presente negli acidi nucleici e proteine. In particolare, l’ammoniaca secreta dai rizobatteri fornisce una sorgente di azoto per le piante ospiti, promuovendo così la crescita delle radici e del germoglio e, conseguentemente, della biomassa vegetale stessa.

Fissazione dell’azoto

In generale, le piante non sono capaci di utilizzare l’azoto atmosferico in maniera diretta, in quanto composto relativamente inerte. Alcune comunità batteriche nella rizosfera ne sono invece straordinariamente capaci, convertendo e fissando continuamente azoto atmosferico in composti azotati, come ammoniaca o nitrati.

Solubilizzazione dei fosfati

Nei suoli, in generale, i fosfati sono presenti in forme insolubili, non direttamente utilizzabili dalla pianta. Tuttavia, molti batteri nel suolo sono in grado di solubilizzare i fosfati, attraverso la secrezione di enzimi e acidi organici che convertono tali composti in forme più solubili.

Meccanismi non-specifici

I PGPR sono in grado di produrre anche metaboliti secondari – come sostanze esopolisaccaridiche (EPS), biosurfattanti, composti antibiotici e agenti chelanti dei metalli – che intervengono nel miglioramento della crescita della pianta in maniera indiretta. In particolare, le EPS sono sostanze ad alto peso molecolare, secrete dai microrganismi, e composte da polisaccaridi, proteine, lipidi, sostanze umiche ecc. Esse rivestono diversi ruoli biologici nei batteri e nelle piante: la loro formazione rappresenta un meccanismo di difesa innata delle cellule batteriche contro patogeni o stress ambientale, mentre, nelle piante, queste sostanze contribuiscono alla formazione del nodulo, ad attività di biocontrollo, all’aggregazione e umificazione del suolo. I biosurfattanti, invece, per la loro natura anfipatica, rivestono un ruolo chiave nel migliorare la biodisponibilità di elementi essenziali per la pianta, solubilizzando composti altrimenti insolubili[2].

Conclusioni

Vista l’industrializzazione sempre più rapida, viste le tecniche di agricoltura moderne – tecniche che impoveriscono i suoli e prevedono l’utilizzo di fertilizzanti chimici -, viste le numerose attività antropiche che aggiungono grandi quantità di inquinanti nell’ambiente, lo studio, la conoscenza e l’applicazione di metodi biologici in diversi campi, messi a disposizione direttamente dai nostri ecosistemi, risulta essere un grande vantaggio. Un vantaggio sia in termini ambientali, nell’ottica di un approccio più ecosostenibile, sia in termini economici (visti i costi notevolmente ridotti rispetto sia a fertilizzanti chimici, in ambito agricolo, che delle tradizionali tecniche chimico-fisiche  di risanamento e ripristino di siti inquinati).

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