El arsenal de las plantas para la batalla contra el estrés ambiental

Las plantas, al estar fijas al suelo, no pueden huir de las agresiones del medio ambiente, pero tampoco se quedan paralizadas ante ellas.

Durante la evolución, estos organismos han desarrollado múltiples mecanismos que les permiten defenderse de los daños ocasionados por los factores físicos y biológicos que constituyen sus ecosistemas, tales como los generados por insectos, virus, bacterias y hongos, así como el exceso de agua, sequía, exposición directa al sol o por la contaminación, entre otros.

Las plantas pueden ser atacadas por alrededor de cien tipos diferentes de patógenos, además de ser la fuente de alimento de más de un millón de especies de insectos de diferentes grupos taxonómicos, lo que lleva a la destrucción de muchas de ellas.

En algunos casos, estos ataques provocan la extinción de especies enteras, amenazando la seguridad alimentaria y el equilibrio biológico. En nuestro país, existen diversas plagas que van desde insectos que consumen las raíces, tallos y plantas, hasta transmisores de virus y bacterias dañinas para la salud humana.

Por lo tanto, la principal preocupación de los productores a nivel nacional es mantener sus cultivos libres de plagas mediante el uso de productos especializados para su prevención y control.

Si bien, la mayoría de las plantas son resistentes de forma activa a un número importante de patógenos, las investigaciones sobre el arsenal de batalla que les ha permitido su descendencia por más de 500 millones de años de historia natural aún continúan.

¿Cómo se lleva a cabo la batalla planta-patógeno?

Los microorganismos viven y se multiplican en casi todos los entornos del planeta; sin embargo, debido a las limitaciones de nutrientes en el suelo y el agua, aquellos que tienen un núcleo diferenciado mediante una membrana, llamados eucariotas, proporcionan su hábitat ideal.

El carbono es un elemento esencial en los seres vivos y participa en todas las redes alimentarias a través de los organismos autótrofos, es decir, organismos que producen su propio alimento, como las plantas y las algas, siendo éstas la fuente de carbono de muchos animales.

Los microorganismos tienen la suerte de vivir en asociación con las raíces de plantas o dentro del intestino de algún animal teniendo libre acceso al alimento. Pero ¿cómo evitan las plantas y los animales convertirse en alimento gratuito para los microbios, principalmente cuando se sabe que los microorganismos superan ampliamente a los eucariotas en número y diversidad?

Históricamente, según los investigadores austriacos Simon Uhse y Armin Djamei, las relaciones simbióticas involucran a organismos de diferentes especies con la finalidad de obtener algún beneficio, abarcando un amplio espectro desde la coexistencia patógena a la mutualista, es decir, se pueden establecer relaciones altamente destructivas hasta aquellas que benefician tanto al hospedero como al huésped (invasor).

Es así como los seres vivos se han adaptado integrando las señales que reciben de sus invasores y, dependiendo del contexto del comportamiento (destrucción, lesión o infestación parasitaria), coordinan mecanismos de defensa directos e indirectos de forma complementaria y escalonada y los adaptan a la gravedad de la enfermedad, el daño o la densidad de la infestación.

¿En qué consisten los mecanismos de defensa de las plantas?

Es importante resaltar que cuando se habla de “mecanismos de defensa” se hace referencia al sistema inmune. Este último es el “eterno vigilante” que protege al organismo de determinadas acciones patógenas o sustancias extrañas y está constituido por una red compleja de células y moléculas que mantienen la integridad fisiológica y genética de los organismos hospederos.

Las plantas, a diferencia de los animales, carecen de un sistema circulatorio que transporte células especializadas del sistema inmune, por lo que dependen de la respuesta inmune innata; es decir, del sistema que se tiene desde el nacimiento y que proporciona la capacidad de reconocer y generar una respuesta de resistencia ante los estímulos físicos y químicos provocados por invasores.

Cuando una planta recibe un estímulo, ya sea del ambiente físico, como la luz, temperatura, humedad, o del ambiente biótico, como la mordida de un herbívoro o la presencia de un depredador, emite señales para lidiar con ese ambiente.

Pero ¿cómo es qué las plantas pueden reconocer esos estímulos? El sistema inmune de las células vegetales está constituido de barreras físicas (siempre están presentes) o químicas-inducidas (aparecen temporalmente ante un ataque) que permiten identificar y responder al estímulo recibido.

Las barreras físicas comprenden los elementos que proporcionan fuerza y rigidez, como la presencia de gruesas capas de cutícula y cera, que no solo evitan la pérdida de agua de las plantas, sino que además limitan la cantidad de tejido que los herbívoros pueden comer, impidiendo que patógenos microbianos entren en contacto directo con las células epidérmicas, limitando la infección.

Las células epidérmicas, localizadas debajo de la capa de cutícula y cera, constituyen el tejido de protección de los órganos internos. En caso de que estas células sean dañadas,  se incrementa la susceptibilidad de la planta a ser infectada por hongos patógenos.

Otras estructuras como los pelos glandulares o tricomas, localizados en la superficie de los órganos de la planta proporcionan protección física y química, ya que secretan sustancias tóxicas que limitan la dispersión del patógeno al interferir con la capacidad de digerir el tejido consumido o bien, funcionan como repelentes deteniendo el ataque.

Por ejemplo, estos pelos glandulares en la superficie de la planta de soja evitan que los huevos de insectos lleguen a la epidermis y las larvas mueren de hambre después de su nacimiento, mientras que en la papa y el tomate secretan aceites que repelen la presencia de pulgones, que dañan gran variedad de plantas al succionar los jugos de hojas y tallos, causando marchitamiento, decoloración, hojas maltratadas, amarillentas y crecimiento atrofiado.

Todas las señales de daño físico son detectadas a través de receptores de reconocimiento de patrones (RRPs), localizados en la superficie de las células de la planta.

Dichos receptores identifican estructuras que son comunes en la pared celular de bacterias, hongos y oomicetos, además de estructuras de movilidad y adhesión al hospedero. Una vez que los organismos invasores son detectados y logran traspasar estas barreras físicas se enfrentan a un conjunto de respuestas inducidas, que proporcionan protección no sólo en el sitio de infección sino también en tejidos distantes.

Estas respuestas constituyen la primera etapa del sistema de defensa inducido, que desencadena señales intracelulares liberando diferentes hormonas vegetales, que además de regular el crecimiento y desarrollo vegetal, accionan diversos cambios moleculares y fisiológicos que inducen la generación de especies reactivas de oxígeno (ROS) .

Estas últimas son moléculas inestables que contienen oxígeno y que reaccionan fácilmente con el ADN, ARN, y proteínas importantes en el metabolismo celular, dañándolas y causándoles la muerte. Por lo tanto, las ROS conducen al suicidio deliberado de las células vegetales en el lugar de la infección, evitando la propagación del patógeno hacia los demás órganos de la planta.

Si el organismo invasor es capaz de traspasar las barreras anteriormente mencionadas, las plantas activan entonces un segundo mecanismo de reconocimiento específico de efectores del invasor.

Estos efectores son moléculas que promueven la virulencia del invasor y se desplazan entre las células de tejidos de la planta, dirigiéndose a macromoléculas importantes (proteínas, componentes de la pared celular, ácidos nucleicos, etc.) involucradas en funciones celulares normales y/o relacionadas con la inmunidad. También están implicadas en la degradación de las paredes celulares de la planta, comprometiendo su supervivencia.

Los efectores secretados por los patógenos son reconocidos por proteínas específicas de identificación en la planta, también conocidas como proteínas relacionadas a la patogénesis (PRP). Esta asociación se conoce como resistencia gen-por-gen e implica la interacción de las proteínas PRP y los factores de virulencia del organismo invasor bloqueando el acceso de los efectores a componentes vitales de la planta limitando la propagación del patógeno.

Estas proteínas PRP son compuestos principalmente antimicrobianos o metabolitos secundarios, aunque también están implicadas en el reforzamiento y reparación de la pared celular.

En la naturaleza, las plantas conviven con una gran cantidad de plagas y patógenos; sin embargo, algunos de ellos poseen la habilidad genética para escapar del sistema de reconocimiento del hospedante, y en este caso, las plantas muestran susceptibilidad.

En definitiva, frente a un ataque, el nivel de daño producido dependerá del balance entre dos fuerzas: el grado de resistencia natural de la planta a un determinado patógeno y del grado de virulencia y agresividad de este.

El proceso de evolución y adaptación de la respuesta inmune de las plantas ha culminado en un sistema de defensa muy eficaz, que es capaz de resistir al ataque potencial por patógenos microbianos que no eran reconocidos.

En el sentido inverso, los patógenos tratan de evitar su reconocimiento por la planta, hasta ese momento resistente, para poder establecer la infección y la relación de parasitismo, lo que se considera como una guerra armamentista sin fin.

Conocer los mecanismos de defensa que han permitido que organismos vegetales sobrevivan durante su evolución podría ser una alternativa para la mejora de la resistencia de plantas de interés agroalimentario.

Esto es, se podrían establecer estrategias biotecnológicas que no contaminen el ambiente y que sean específicas para cada especie, evitando destruir a otros organismos que podrían ser beneficiosos, favoreciendo el equilibrio biológico. De esta forma se evitaría el uso excesivo de químicos y pesticidas, que son contaminantes del medio ambiente.

Referencias

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*Estudiante de doctorado del Programa de Posgrado en Ciencias Bioquímicas, adscrita al Instituto de Química de la Universidad Autónoma de México (UNAM).  Su proyecto de investigación consiste en caracterizar a una proteína implicada en los mecanismos de defensa en plantas proporcionando información para dilucidar tales mecanismos. Le interesa la divulgación de la ciencia. Agradece el apoyo financiero del CONACyT (No. de CVU 662134).

Asesoría científica: Dra. Adela Rodríguez Romero. Investigadora del Instituto de Química-UNAM. Sus líneas de investigación abarcan diversos aspectos de la bioquímica estructural y la fisicoquímica de proteínas.

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