jueves, 11 de febrero de 2010

Mecanismos de defensa contra patógenos en plantas

Al igual que los animales, las plantas están expuestas a patógenos de diversa naturaleza que pueden causarles enfermedad, e incluso la muerte. Y, al igual que los otros organismos, las plantas poseen mecanismos para defenderse de ellos. Su estudio ha servido a los científicos para el desarrollo de nuevas estrategias que permitan controlar a los patógenos vegetales, que causan un impacto negativo en las cosechas.

La interacción entre las plantas y sus patógenos
Las plantas están expuestas continuamente al ataque de patógenos diversos, incluso de otras plantas. Las plantas son organismos sésiles (inmóviles) y no pueden escapar, pero cada célula vegetal posee mecanismos de defensa activos (un “sistema de alerta”) y también inducibles (se activan cuando la planta entra en contacto con el patógeno). Esta es una diferencia importante con respecto al sistema inmunológico de los vertebrados, ya que en ellos existen células especializadas que viajan rápidamente al sitio de la infección, donde eliminan al organismo invasor, o limitan su distribución. En las plantas, el mecanismo de defensa localizado en cada célula minimiza las infecciones. Entonces, la enfermedad podría definirse como el resultado de una infección exitosa. Sin embargo, una enfermedad de este tipo raramente mata a la planta. Podría interpretarse que, por selección natural, han sobrevivido los patógenos de menor toxicidad (que no matan a su huésped al que necesitan para reproducirse) y/o las plantas más resistentes a estos patógenos.

¿A qué tipos de patógenos están expuestas las plantas?
Se define como “patógeno vegetal” a aquel organismo que, para completar parte de su ciclo de vida, crece dentro de la planta. Y, al hacerlo, la perjudica. Los procesos afectados pueden ser: la división celular, la diferenciación y desarrollo, la absorción del agua y minerales del suelo y su transporte al resto de la planta, la fotosíntesis, la reproducción, y el almacenamiento de reservas alimenticias.
Entre los patógenos vegetales, se pueden encontrar:

Virus: TMV o virus del mosaico del tabaco, PVY o virus Y de la papa, CaMV o virus del mosaico de la coliflor (“mosaico” hace referencia a los síntomas que ocasiona).

Bacterias: Xhantomonas campestris (causa “cancrosis” en los cítricos), Erwinia carotovora.

Hongos: Phytophtohora infestans, causa el tizón tardío de la papa; Cladosporium fulvum, o moho de la hoja de tomate

Insectos: Lepidópteros como el barrenador del íz (Diabrotica virgifera) genera túneles en los tallos del maíz y su quiebre; Leptinotarsa decemlineata (escarabajo colorado de la papa) causa estragos al masticar y comer los tallos y hojas verdes de la planta de papa.

Nemátodos: Pequeños gusanos que pueden infectar a las plantas a través de sus raíces

Cada uno de ellos utiliza diferentes estrategias para ingresar y perdurar dentro de la planta. En la figura 1 se observan algunos ejemplos de los síntomas (manifestaciones fenotípicas de la infección) que generan los patógenos en la planta huésped.

A) Hoja de tabaco infectada con el Virus del mosaico del tabaco o TMV. B) Tomates infectados con el hongo Colletotrichum coccodes, causante de la antracnosis observada. C) Angulilosis de la raiz de tomate, causada por el nematodo Meloidogyne incognita. Se observan los quistes en la raíz. D) Cancrosis de los cítricos ocasionada por la bacteria Xanthomonas campestres pv. Citri, bacteria que se observa en la microscopía electrónica, localizada en la apertura de un estoma. Imágenes tomadas de los sitios mencionados en Material de consulta.


Figura 2. Enfermedades que afectan a la planta de tomate. Muchos microorganismos atacan algunas partes específicas de la planta (los frutos, las raíces, las hojas), produciendo síntomas característicos de enfermedad: mosaico, necrosis, manchado, marchitamiento, y raíces agrandadas, entre otros. Las plantas de tomate son atacadas por más de 100 patógenos diferentes. Entre las enfermedades incluidas en el gráfico, se encuentran las bacterianas: agalla de la corona (Agrobacterium tumefaciens), pecas bacteriales (Pseudomonas syringae pv tomate); fúngicas: oidiosis (Oidium neolycopersici), fusariosis (Fusarium oxysporum f. sp lycopersici), antracnosis (Colletotrichum coccodes); virosis: peste negra (virus de la peste negra del tomate o TSWV), mosaico (virus del mosaico del tomate o TMV); nemátodos: anguilulosis de la raiz (Meloidogyne spp.). Adaptado de Buchanan y col., 2000

La infección y sus consecuencias en la planta
Tanto las raíces como los tallos y hojas son zonas de contacto con los patógenos. Los patógenos emplean diferentes estrategias de invasión al huésped (planta):


• Penetrar directamente las capas superficiales mediante presión mecánica o ataque enzimático


• Entrar por aberturas naturales de las plantas, como por ejemplo los estomas (relacionados con el intercambio gaseoso).


• Invadir tejidos previamente dañados


Una vez que el patógeno ingresa en la planta, se puede clasificar en función de las estrategias empleadas al utilizar a la planta como sustrato:


Necrótrofos: matan a las células de su huésped y descomponen el tejido para utilizarlo en su crecimiento.


Biotrofos: infectan su huésped sin causar muerte celular, ya que necesitan mantenerlo vivo para cumplir su ciclo de vida.


Hemibiótrofos: mantienen a las células vivas en las etapas iniciales de la infección, pero las matan una vez avanzada


¿Por qué tienen éxito algunos patógenos?

El éxito de determinados patógenos vegetales puede atribuirse a algunos de los siguientes factores:


• Un modo efectivo de infección que permite una tasa de reproducción alta durante la estación de crecimiento de las plantas.


• Mecanismos de dispersión eficientes a través de agua, viento, u organismos vectores (transmisores) como los insectos.


• Producción de un tipo de estructura (esporas, por ejemplo) que pueden sobrevivir por largos períodos (hasta 30 años).


• Una gran capacidad de generar diversidad genética a través de mutaciones que otorgan ventajas adaptativas. Esto favorece el origen de nuevos genotipos a partir de los cuales pueden surgir nuevas epidemias.


• La homogeneidad genética de los cultivos de interés agronómico los hace más susceptibles a una epidemia que afecte a toda la población. Este riesgo se ve aumentado por la presencia de genotipos bien adaptados de patógenos. Además, el daño provocado por un patógeno es puerta de entrada para otros patógenos, potenciando los efectos negativos sobre la planta. Las plantas salvajes no suelen sufrir infecciones ni serias consecuencias a nivel poblacional por el ataque de patógenos debido, en parte, a la variabilidad genética dentro de esas poblaciones.

Interacciones entra la planta y el patógeno
Se pueden reconocer dos tipos de interacciones entre las plantas y los patógenos, en función de las respuestas de la planta al ataque del agente extraño:


Interacciones compatibles: aquellas en la cuáles un patógeno logra infectar y enfermar a una planta. Pueden ocurrir si las condiciones ambientales son favorables, si las defensas preformadas de la planta son inadecuadas, si la planta falla en detectar al patógeno, e incluso si las respuestas de defensa activadas son inefectivas.

Interacciones incompatibles: aquellas en las cuáles no hay enfermedad porque se da un fenómeno de resistencia de la planta. Estos mecanismos de resistencia pueden ocurrir por:

1). Resistencia de tipo “no hospedante”: la especie vegetal atacada no le brinda al patógeno las condiciones necesarias para completar su ciclo de vida, o posee barreras estructurales preformadas, o sintetiza compuestos tóxicos.

2). Mantener la infección confinada tras el reconocimiento del patógeno que está atacando.

3). Condiciones medioambientales inestables que provocan la muerte del patógeno antes de poder “acomodarse” al nuevo medio.

Las defensas preformadas de las plantas
Muchas plantas poseen defensas preexistentes al ataque del patógeno las cuáles pueden clasificarse en:


Bioquímicas. Involucran tres grandes grupos de compuestos: péptidos y proteínas; metabolitos secundarios, e inhibidores de proteasas. La mayoría de las plantas sanas poseen muchos metabolitos secundarios con propiedades antimicrobianas. Tales compuestos pueden estar presentes en su forma activa, o estar almacenados como precursores inactivos que son convertidos en las formas biológicamente activas por enzimas de la planta, en respuesta al ataque de patógenos o al daño de los tejidos. En general, estos compuestos inhibidores preformados se encuentran almacenados en vacuolas u otras organelas de las capas celulares externas de la planta. Dos ejemplos de inhibidores preformados muy bien estudiados son las saponinas y los glucosinolatos.

Mecánicas. Incluyen grosor de la epidermis, calidad de la cutícula, forma, tamaño y localización de los estomas (ver figura 3).



Figura 3. Estructura de la hoja. En la figura se observan algunas estructuras involucradas en la defensa mecánica preformada contra el ataque de patógenos. Entre ellas, la cutícula, los estomas y la epidermis (puede variar su grosor). Fuente: http://www.educa.aragob.es/

Las defensas inducidas por la presencia del patógeno
Para activar sus respuestas de defensa rápidamente, la planta emplea un sistema de vigilancia sofisticado capaz de distinguir entre las señales propias y las generadas por un patógeno. Más aún, la planta es capaz de discriminar las señales emitidas por agentes patógenos de las generadas por organismos benéficos, tales como la bacteria Rhizobium (involucrada en la fijación de nitrógeno en relación simbiótica con plantas leguminosas) y como las especies fúngicas que forman micorrizas (Ver Cuaderno N° 87).

La respuesta de la planta implica modificar el metabolismo de las células vegetales involucradas en la reacción de defensa. Esto incluye la activación de genes involucrados en funciones de defensa, la apertura de canales para el intercambio de iones, la modificación de proteínas y la activación de enzimas preexistentes (ver figura 4).


Figura 4. Representación esquemática del orden temporal de activación de las defensas de la planta, localmente y sistémicamente (en toda la planta), desde el sitio inicial de invasión por el patógeno. Adaptada de Buchanan y col., 2000.Figura 3. Estructura de la hoja. En la figura se observan algunas estructuras involucradas en la defensa mecánica preformada contra el ataque de patógenos. Entre ellas, la cutícula, los estomas y la epidermis (puede variar su grosor). Fuente: http://www.educa.aragob.es/

Esta inducción de las respuestas defensivas de la planta en forma rápida y altamente localizada resulta en la generación de un ambiente de condiciones desfavorables para el crecimiento y reproducción del patógeno. Al mismo tiempo, las células vegetales eliminan y dificultan la dispersión de toxinas generadas por el patógeno. Estas respuestas inician una respuesta sistémica de más larga duración denominada Resistencia Sistémica Adquirida que previene a la planta y a otras vecinas contra ataques futuros del mismo u otros patógenos. Dado que estas respuestas requieren una gran inversión de componentes celulares, las defensas se mantienen bajo un ajustado control genético y sólo se activan frente a la presencia del patógeno.

La activación completa de una respuesta intensa contra el patógeno ocurre dentro de las primeras 24 hs, conduciendo directa o indirectamente a la muerte celular y tisular localizada. Dentro de las respuestas de defensa inducidas por la presencia del patógeno, se pueden distinguir (entre otras):

- Respuesta hipersensible: rápida activación de las reacciones de defensa asociadas a la muerte celular en la planta huésped. Esta respuesta afecta al patógeno de diferentes maneras: en el caso de los biótrofos, los depriva del acceso a más nutrientes; en el caso de los necrótrofos, la muerte celular resultaría en la liberación de sustancias inhibitorias para el patógeno.

- Activación de proteínas relacionadas a la patogénesis (proteínas PR): son proteínas sintetizadas por la planta en respuesta al ataque del patógeno, que se acumulan rápidamente luego del reconocimiento. Algunas PR son quitinasas o glucanasas, enzimas capaces de degradar a los polisacáridos que constituyen la pared celular de muchos hongos, reduciendo su crecimiento. Otro ejemplo de proteínas PR son las lipooxigenasas, enzimas que generan moléculas que extienden a toda la planta el estado de “alerta”.

- Síntesis de Fitoalexinas: son moléculas que tienen actividad antimicrobiana. Se acumulan rápidamente en los sitios de interacción con el patógeno, y se biosintetizan utilizando nuevas rutas metabólicas que se activan por la misma presencia del patógeno.

- Silenciamiento génico post-transcripcional: es inducido tras la invasión de la planta por distintos virus. La planta es capaz de reconocer estadios de la replicación viral o una cantidad elevada de ácidos nucleicos consecuencia de la replicación del virus. Como respuesta, se induce el mecanismo que consiste en la degradación del ARN viral.

- Respuestas estructurales: entre ellas, el entrecruzamiento de componentes de la pared celular y la expulsión de papilas formadas en el sitio por el cuál el patógeno intenta ingresar.


Muchas de las respuestas mencionadas ocurren en conjunto, garantizando una defensa más eficiente.

Durante la evolución conjunta de patógenos y plantas, se han ido seleccionando mecanismos que permiten a ambos miembros de la interacción defenderse del otro, fenómeno al que se suele denominar como “carrera armamentista”, donde cada estrategia de una de las partes de la interacción es contrarrestada por una nueva en su contraparte. Por ejemplo, como consecuencia de la coevolución entre los organismos y sus patógenos, han surgido mecanismos por los cuáles muchos virus pueden evitar la respuesta de defensa de la planta a través de genes que codifican para la síntesis de proteínas “supresoras del silenciamiento”.

La base genética de la resistencia a enfermedades en las plantas
En el siglo XIX, los coleccionistas de plantas ya notaban con frecuencia diferencias en la susceptibilidad de los distintos ejemplares que incorporaban a sus colecciones. Alrededor de 1900, ya con las leyes de Mendel redescubiertas, los cultivadores de plantas notaban que la resistencia a patógenos se heredaba frecuentemente como una característica dominante (ver Cuadernos N° 40 y 41). Hacia 1940, a partir de los estudios de Harold Flor en la interacción entre el cultivo de lino y uno de sus patógenos fúngicos, se estableció el modelo gen-a-gen. Este modelo predice que la activación de los mecanismos de defensa que culminan en la resistencia de la planta a la enfermedad, ocurrirá cuando la planta posea un gen de resistencia (R) dominante, y el patógeno exprese el gen de avirulencia (Avr) complementario. El modelo se cumple para la mayoría de las interacciones con patógenos biótrofos.


De la interacción entre la planta y el patógeno, puede surgir también una respuesta conocida como tolerancia. Esto significa que la interacción es compatible, pero la planta restringe los procesos bioquímicos requeridos para el desarrollo de los síntomas. Como consecuencia, el daño se mantiene en bajos niveles aún estando las plantas severamente infectadas. Las plantas tolerantes a las enfermedades pueden actuar entonces como reservorios de patógenos que, a partir de ellas, pueden pasar a especies susceptibles.

¿Por qué es importante estudiar las interacciones entre plantas y patógenos?
Una de las razones que impulsa a estudiar la relación entre las plantas y los patógenos se relaciona con el conocimiento básico. Por ejemplo, conocer cómo reaccionan las plantas frente al estrés provocado por distintos factores, bióticos y abióticos. Existen además razones de aplicación práctica. Se sabe que el desarrollo de cultivos genéticamente homogéneos en grandes superficies de tierra, representa un riesgo ya que podría favorecer la diseminación de epidemias, disminuyendo el rendimiento y la calidad de los cultivos. Por esto, la producción de conocimientos referidos a la relación planta – patógeno podría proveer soluciones sustentables para el control de las enfermedades en los cultivos de interés agronómico.

Los conocimientos aplicados al mejoramiento de los cultivos
El descubrimiento de que la resistencia a enfermedades en la planta era heredada con frecuencia como un carácter dominante, llevó a los mejoradores del siglo XX a desarrollar programas que buscaban identificar germoplasmas resistentes entre las variedades salvajes relacionadas a cultivos de interés agronómico. Una vez localizados, el objetivo consistía en introducir por cruzamientos los genes de resistencia (R) en los cultivos económicamente importantes para así obtener variedades resistentes. Los programas se vieron beneficiados por el descubrimiento de los centros de origen geográficos de los distintos cultivos (ver Cuaderno N° 81), ya que en dichas localidades es donde se encuentra la mayor diversidad genética tanto para la planta como para sus patógenos, aumentando las posibilidades de encontrar allí los genes de resistencia deseados por los mejoradores. El uso de genes R para conferir resistencia se limita a especies o variedades relacionadas ya que no solo se requiere el gen sino también toda la cadena de transducción de señales acoplada al producto del gen R debe estar presente en la planta.

Al principio, se obtuvieron buenos resultados empleando esta estrategia para generar nuevas variedades resistentes. Pero al cabo de unos años de introducido el gen R en la producción comercial, se comprobó que dejaba de proteger al cultivo de la enfermedad, resultando en grandes epidemias que devastaban los cultivos.

Este hecho en la agricultura moderna resulta en la aparición de “ciclos” durante los cuáles, tras años de control efectivo de la enfermedad y aumentar el área cultivada con el cultivo mejorado, se pierde efectividad debido a un aumento en la presión de selección sobre la población de patógenos, que favorece la aparición de cepas mutantes en los genes Avr , que superan la resistencia vegetal.Estos ciclos tienen una duración aproximada de 8 a 12 años, y se superan introduciendo nuevos genes R. Aunque aún no se sabe por qué, algunos genes R que han dado buenos resultados por más de 15 años.

Para evitar la aparición de patógenos que superen la resistencia de los cultivos, se han desarrollado nuevas estrategias:

- No es recomendable el monocultivo de variedades portando un solo gen de resistencia. Una alternativa es sembrar conjuntamente variedades que porten distintos genes R, permitiendo así disminuir la presión de selección sobre la población de patógenos. Sin embargo, esto aumenta la heterogeneidad de caracteres de interés agronómico (tiempos de desarrollo, rendimiento, etc.), disminuyendo la rentabilidad del cultivo (ya que la homogeneidad facilita las técnicas mecánicas de cosechado).

- Una alternativa que podría superar los inconvenientes anteriores, es el uso de plantas transgénicas. Una de las ventajas de este desarrollo es el lapso de tiempo menor necesario para introducir un determinado gen R, y la generación de “variedades” con el mismo fondo genético, salvo por el gen R introducido. De esta forma se cultivan múltiples variedades al mismo tiempo (portando distintos genes R) sin perder la homogeneidad de otras características agronómicas. Más aún, la alternativa más eficiente, conocida como “apilamiento”, es la introducción en la misma planta de varios genes R. Se ha demostrado que la acción combinada de varios genes R resulta en niveles de resistencia en la planta superiores a lo esperado por el aporte de cada uno de ellos, fenómeno denominado “sinergismo”.

Una historia para recordar y prevenir: la hambruna irlandesa
La Gran Hambruna Irlandesa, ocurrida entre 1846 y 1852, comenzó como una catástrofe natural de magnitud extraordinaria, cuyos efectos empeoraron por la implementación de políticas equivocadas. El resultado fue la muerte de, aproximadamente, 1 millón de personas en Irlanda a causa de la desnutrición y las enfermedades que emergieron, y la emigración de unas 2 millones de personas. El origen de esta hambruna irlandesa fueron sucesivas infecciones de los cultivos de papa por el hongo Phytophthora infestans (causante de la enfermedad conocida como “tizón tardío de la papa”, figura 5). Por 4 o 5 años consecutivos, el tizón de la papa destruyó al cultivo que cubría el 60% de los requerimientos alimentarios de Irlanda.
Figura 5. Phytophthora infestans y el tizón tarío de la papa, agente causal y enfermedad, respectivamente, de la Hambruna Irlandesa. A la izquierda se observa al patógeno P. infestans; y a la derecha, tubérculos de papa afectados por la enfermedad. Fotografías tomadas de http://faculty.uca.edu/~johnc/LSR3390.htm

Este ejemplo demuestra lo devastadoras que pueden ser las enfermedades en las plantas, especialmente en los cultivos de interés agronómico. Es por ello que resulta sumamente importante entender cómo se establecen éstas enfermedades y así desarrollar nuevas herramientas que permitan al hombre controlarlas.