Formiche che modificano la genetica degli afidi a loro vantaggio

Formiche che modificano la genetica degli afidi? Ma di cosa stiamo parlando?

Salve a tuttз, e ben tornatз nel nostro approfondimento a tema formiche. Qualche settimana fa, abbiamo affrontato un viaggio nelle ere geologiche per indagare il percorso evolutivo delle formiche che allevano orti di funghi nel proprio formicaio. Una storia incredibile che ha smentito la storia che l’uomo sia l’unico animale a praticare l’agricoltura.

Oggi alziamo ancora di più l’asticella!

Perché non solo non siamo mai stati i primi agricoltori, ma neanche i primi allevatori!

Tanto è affascinante la storia delle formiche che selezionano ceppi di lieviti adatti ai loro scopi, quanto lo è la storia che stiamo per raccontare.

Mettetevi comodi e svuotate la mente, vi voglio concentrati!

Gli afidi

Sono degli insetti di piccole dimensioni, comunemente chiamati “pidocchi delle piante”, il cui colore può variare a seconda delle specie.

Da un punto di vista evoluzionistico, gli afidi divergono dal loro antenato probabilmente 280 milioni di anni fa, in pieno Carbonifero.

Per darci un contesto, ci troviamo in un mondo geograficamente molto diverso dal nostro, con i continenti ancora molto vicini (alcuni attaccati) fra loro. Ci sono tantissime felci e conifere gigantesche.

In queste foreste, dove la vegetazione abbonda, gli afidi hanno tonnellate di cibo a disposizione. Grazie al loro potere riproduttivo e alla loro versatilità, si diffondono un po’ ovunque. Ad oggi ne contiamo circa 5.000 specie.

Ci sono tantissime cose da dire su questi insetti, ma mi soffermerò sulle caratteristiche più interessanti.

Una popolazione di afidi che infesta una pianta. La loro presenza spesso attira predatori come le coccinelle. © Fonte

La comoda vita da afide

Gli afidi sono dei pigroni tanto che, anche quando mangiano, non vogliono fare sforzi.

Con il loro apparato boccale, di tipo pungente-succhiante, perforano la superficie di una pianta fino ad arrivare ai vasi floematici. In questi vasi, con una certa pressione, scorre la linfa, che quindi, trovando un foro, risale e arriva diretta nella bocca dell’insetto.

La tecnica è così efficiente che, se un ricercatore volesse studiare la linfa, verosimilmente userebbe la testa di un afide per prelevare facilmente dei campioni.

A onor del vero, gli afidi possono anche aspirare fluidi attivamente, ma il fenomeno è meno comune.

La linfa è ricca di saccarosio, ma povera di amminoacidi; quindi, gli afidi ne assumono quantità enormi per cercare di assimilare quanto più azoto possibile. Ma c’è un problema. Anzi due.

Afidi problematici

Agli afidi, madre natura, non ha dato in dotazione un sistema escretore che detossifica da residui metabolici potenzialmente tossici.

L’intoppo viene risolto tramite la simbiosi con dei batteri, che provvedono allo smaltimento di residui derivati dal metabolismo proteico, trasformandoli, in parte, in amminoacidi essenziali.

L’assunzione di grandi quantità di linfa comporta anche un problema osmotico. L’alta concentrazione di saccarosio richiamerebbe, per osmosi, acqua dall’emolinfa (il sangue degli artropodi), rischiando di uccidere l’insetto.

Per risolvere questa situazione tornano utili due strategie:

  • il saccarosio viene subito convertito in catene più lunghe di oligosaccaridi, così da abbassarne la concentrazione;
  • l’espulsione di grandi quantità di melata dalla codicola, l’estremità posteriore dell’insetto.

L’effetto matrioska

Abbiamo già menzionato l’enorme potere riproduttivo degli afidi, chi ha una minima esperienza di giardinaggio lo saprà bene.

Di per sé, la puntura di un afide su di una pianta è paragonabile alla puntura di un moscerino per noi, probabilmente anche meno. Ma quando a pungere sono in migliaia, ecco che l’afide diventa un grosso problema, sia in agricoltura che nelle piante ornamentali. Soprattutto se consideriamo che gli afidi possono essere vettori di virus.

E vi assicuro che passare da un afide a qualche migliaio ci si mette davvero poco.

Protagonista di questa caratteristica, sebbene possano esserci eccezioni fra le specie, è il fatto che negli afidi è molto comune la partenogenesi.

Che è la partenogenesi?

Praticamente le uova della madre si sviluppano anche se non sono state fecondate. In questo modo non si perde tempo a trovare un partner, uscirci a cena, accompagnarlǝ all’IKEA e cose simili. Mamma afide fa tutto da sola, e la sua prole sarà rappresentata da individui, tutti femmine, geneticamente (quasi) identici a lei stessa.

Ma non finisce qui.

Non solo non serve aspettare un maschio per accoppiarsi, ma la prole appena generata risulta essere già in dolce attesa e, in alcuni casi, anche la prole della prole lo è!

Le uova degli afidi iniziano a svilupparsi subito dopo l’ovulazione, quando ancora l’afide è nello stato di ninfa; quindi, i baby afidi nascono già con in grembo uova che si stanno sviluppando.

Questo processo si ripete per tutta l’estate, producendo più generazioni che in genere vivono da 20 a 40 giorni.

Alcune specie di afidi del cavolo (come Brevicoryne brassicae) possono produrre fino a 41 generazioni di femmine in una stagione. Quindi, una femmina nata in primavera può teoricamente produrre miliardi di discendenti, se dovessero sopravvivere tutti.

Il dispendio energetico per questa strategia è alto ma, come abbiamo detto, mangiare tanto non è assolutamente un problema per questi insetti.

Passiamo alle formiche…

Quindi, ricapitolando, abbiamo una bestia che:

  • si riproduce a palla,
  • super efficiente nell’estrarre dalle piante una bevanda zuccherina,
  • che caga fiumi della suddetta sostanza zuccherina.

Per le formiche, che hanno un gran fiuto per le fonti zuccherine, gli afidi sono una miniera d’oro.

L’interazione fra formiche e afidi è nota da tempo, ed è osservabile a livello macroscopico anche da non esperti.

Quella che però sembrava una semplice interazione della serie “gli afidi espellono la melata, le formiche la raccolgono per usarla come alimento” nasconde dinamiche ben più complesse.

I benefici della simbiosi

L’interazione fra i due insetti rientra nella mirmecofilia, un termine che indica un rapporto di simbiosi delle formiche con altri esseri viventi. Tradizionalmente, è sempre stata vista come una simbiosi di tipo mutualistico, dove entrambi i protagonisti ricevono un mutuo vantaggio dalla loro cooperazione.

Per le formiche, il vantaggio è nella raccolta della melata, talvolta ottenuta anche “mungendo” gli afidi premendone l’addome con le antenne. Le formiche mangiano la melata e la rigurgitano poi all’interno del formicaio.

formiche che mungono afidi
Una formica presa in fragrante, mentre munge un afide. Notate la gocciolina di melata. © Fonte

E per gli afidi?

Per quanto riguarda gli afidi, il principale vantaggio è la protezione, attuata dalle formiche, contro predatori esterni e parassiti, in particolare contro una serie di vespe parassitoidi.

Le formiche tengono lontane anche le coccinelle, note sterminatrici di afidi, e distruggono le loro uova per proteggere al meglio le loro greggi.

È stato notato che, rispetto a popolazioni di afidi indipendenti, quelli allevati dalle formiche hanno una minore attitudine a difendersi dai predatori.

Le formiche possono anche portare all’interno del loro nido le uova di afidi per proteggerle da predatori o da sbalzi di temperatura. E a proposito di uova, le formiche regine, quando si preparano per abbandonare il nido per fondare una nuova colonia, portano con sé le uova di afidi, in modo da poter stabilire un nuovo gregge.

La rimozione sistematica della melata, inoltre, conferisce un ulteriore beneficio agli afidi, riducendo le incrostazioni fisiche e l’incidenza di attacchi fungini. La soluzione zuccherina, infatti, non attrae solo le formiche, ma anche altri predatori ed è terreno fertile per l’insorgenza di muffe. Oltre alla melata, vengono rimossi anche afidi morti o afidi che presentano infezioni di parassiti.

Sembra che il controllo da parte delle formiche sia molto razionale, nel senso che viene fatto con una piena consapevolezza del territorio. In areali con pochi predatori, le formiche spendono meno energie nel controllare le loro greggi, mentre le “ronde” sono molto più frequenti se il rischio è più alto.

Se la pianta, o la zona di una pianta, su cui vengono portati a pascolare gli afidi è ormai quasi morta, le formiche si attivano per spostare gli insetti su una nuova parte ricca di linfa.

La cura delle formiche tende a favorire lo sviluppo della popolazione di afidi, ma se il loro numero e la loro densità cresce sopra certe soglie, una parte di essi viene lasciata alla mercè dei predatori o viene predata dalle stesse formiche. Come abbiamo detto, la melata è povera di sostanze azotate, quindi l’afide, in situazioni di abbondanza, rappresenta un ottimo spuntino sicuramente più ricco di azoto.

Il controllo delle formiche sugli afidi

Da ottime allevatrici, le formiche esercitano un controllo meticoloso anche sui singoli afidi. Gli afidi hanno una certa plasticità del loro fenotipo (aspetto), dato dall’interazione con l’ambiente. È per questo che, in alcune condizioni, alcuni individui possono sviluppare delle ali.

Le formiche secernono delle sostanze dalle ghiandole mascellari che inibiscono lo sviluppo delle ali stesse. Quando, sporadicamente, un individuo le sviluppa comunque, le formiche le strappano via a morsi per evitare una dispersione che non sia sotto il loro diretto controllo.

Sempre allo scopo di tenere il loro gregge raggruppato in un unico posto, le formiche tengono gli afidi sotto sedativi.

Sì, avete letto bene.

Ma come fanno? Gli danno tisane di Xanax e li piazzano a vedere reality show su Canale 5?

No. Per esempio nel caso di Lasius niger, vengono secrete delle sostanze chimiche nelle orme che fanno muovere gli afidi di circa il 30% in meno. Queste sostanze sono efficaci solo con le specie allevate, ma non sortiscono alcun effetto con specie di afidi indipendenti.

Per queste osservazioni, e molte altre, si è riconsiderato il tipo di interazione fra i due organismi. Più che mutualismo in senso stretto, in alcune condizioni sembra che le formiche traggano più giovamento degli afidi.

Formiche che allevano afidi
Una formica nell’intento di spostare un afide da un luogo all’altro della pianta. © Fonte

Il controllo genetico

Il parallelismo con le nostre forme di allevamento per descrivere la simbiosi formiche-afidi non è una metafora banale. Quando si alleva in maniera sistematica qualcosa, sia che parliamo di animali che di piante, si tende a utilizzare delle strategie di base che ottimizzano il processo.

Per esempio, non si alleva qualsiasi cosa, ma si allevano le specie che hanno delle caratteristiche vantaggiose per l’allevatore. Banalmente, della famiglia delle Solanacee, che conta più di 2000 specie, noi abbiamo scelto di coltivare i pomodori, i peperoni, le patate, le melanzane, ma non tutto il resto.

L’agricoltura e l’allevamento tendono a concentrarsi su poche specie (per questo si parla tanto del rischio di perdita di biodiversità).

Le formiche fanno lo stesso, non hanno scelto di allevare afidi a caso, ma secondo precisi criteri.

La “qualità” della melata è uno di essi. Come abbiamo detto, gli afidi, per evitare problemi osmotici, processano il saccarosio della melata creando zuccheri complessi che sono diversi da specie a specie. Le formiche prediligono gli afidi che producono una melata ricca di trisaccaridi e amminoacidi che, infatti, non è comune fra gli afidi non allevati.

Gli afidi allevati espellono la melata in goccioline più piccole e più frequentemente di afidi non allevati. Inoltre, sembra che a differenza della controparte non dipendente dalle formiche, gli afidi allevati abbiano un tasso di riproduzione sessuale quasi nullo. Questo comporta una riproduzione partenogenetica che, andando avanti a cloni, mantiene le caratteristiche della specie.

Come succede per molti animali allevati dall’uomo, molte specie di afidi sono diventate strettamente dipendenti dalle formiche per sopravvivere, al punto che senza di esse si estinguerebbero.

Mi sto rendendo conto di aver scritto un muro di testo infinito e quindi meglio che mi accinga a concludere…

Conclusione

Ci sarebbero molte altre cose da aggiungere, ma non voglio farvi venire un’overdose di entomologia. Come per l’articolo precedente, il messaggio da portare a casa è che l’ottimizzazione di processi come l’allevamento e l’agricoltura, passa da alcuni punti fissi:

selezionare le specie più “appetibili”, isolarle geneticamente in modo che non si incrocino con altre specie affini, mantenerle in purezza, usare un controllo chimico, difenderle da patogeni e predatori.

È assurdo notare che sono strategie valide sia che si parli di uomini che di formiche.

Alla prossima, sempre qui su Missione Scienza!

Giovanni Cagnano

Plant Breeder di mestiere, divulgatore per hobby. Il mio percorso di studi comincia con Biotecnologie Agro-Industriali a Ferrara per proseguire a Perugia nella magistrale di Biotech Agrarie. Dopo un Erasmus in Danimarca in cui ho lavorato al mio progetto di tesi, mi è stato offerto un Industrial PhD finanziato da una borsa Marie Skłodowska-Curie presso l'azienda sementiera DLF. Sono attualmente rientrato in Italia per lavorare come breeder.

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