Mecanismos químicos de defensa en las plantas

avocadoLos vegetales poseen mecanismos de defensa que reflejan una gran diversidad bioquímica,
resultado de interacciones complejas.

Las plantas, organismos sésiles, están obligadas a discriminar entre los diferentes retos que les plantea su entorno y responder a ellos.
Estas respuestas a su ambiente biótico y abiótico les permiten la mejor distribución de sus recursos para crecer, reproducirse y defenderse.

No debe, pues, sorprendernos que gran parte de las reacciones de defensa se reflejen en una diversidad
bioquímica que tiene muy pocos paralelos con otros grupos de organismos. De hecho, el repertorio bioquímico de las plantas es único.

La enorme diversidad fitoquímica y el largo tiempo de evolución de este metabolismo han resultado en interacciones de complejidad creciente. En el caso de las interacciones entre plantas e insectos, por ejemplo, ciertos compuestos con estructuras muy similares pueden ejercer actividades muy disímiles, desde insecticidas hasta repelentes o incluso atrayentes. Tamaña variedad de respuestas, resultado de una compleja coevolución, no sólo resulta fascinante desde el punto de vista biológico, sino que también acarrea consecuencias económicas importantes.

La interacción con organismos microbianos, herbívoros y otras especies de plantas puede ser de carácter positivo, negativo o neutral. Depende, en cada caso, de una serie de vinculaciones complejas, sobre la mayoría de las cuales conocemos muy poco. Haremos aquí hincapié en las interacciones de carácter negativo, casi siempre asociadas a la supervivencia ante el ataque de predadores, parásitos o patógenos; comportan un marco de competencia interespecífica.
Aunque los mecanismos químicos involucrados en estos tres tipos de interacciones pueden ser de naturaleza similar, para su mejor comprensión las abordaremos por separado.

INTERACCIONES ENTRE PLANTAS Y MICROORGANISMOS

La propuesta de una función defensiva para los compuestos fitoquímicos se avanzó hace un siglo. En 1905, Marshall Ward postuló que los “anticuerpos” y las toxinas producidas por la planta desempeñaban una función importante para frenar el proceso infeccioso.

Estos compuestos defensivos podían encontrarse, preformados, antes de la infección o podían sintetizarse en respuesta a la misma y ser, por tanto, inducibles o subsiguientes a la infección.

En 1941, Müller y Börger refinaron la concepción de Ward. Bautizaron con el nombre de fitoalexinas a los compuestos químicos sintetizados por la planta en respuesta a una invasión microbiana. La primera fitoalexina fue aislada y caracterizada en 1960 por Cruickshank y Perrin. Al compuesto aislado, un isoflavonoide pterocarpano, se le denominó pisatina; se había aislado a partir de las vainas de guisante (Pisum sativum).

La investigación ulterior ha puesto de manifiesto la amplia diversidad de la naturaleza química de las fitoalexinas.
Cubre prácticamente todo el espectro químico de los productos naturales que hallamos en los vegetales.

Existe un extenso repertorio de “metabolitos secundarios”, presentes en concentraciones variables, en todos los tejidos vegetales adultos, cuya función primordial parece ser la defensa contra invasiones microbianas. A diferencia de las fitoalexinas, estos compuestos se caracterizan por su estado permanente. Tienen por misión servir de barrera inicial a la propagación de bacterias u hongos dentro de los tejidos de la planta. Pueden, pues, ejercer una presión selectiva sobre los patógenos potenciales; éstos, andando el tiempo, desarrollan, por mutación, mecanismos de resistencia, y perpetúan así el ciclo de cambio por mutación en patógeno y hospedador.

A ese fenómeno se debe, en parte, la enorme diversidad química de los productos naturales derivados de plantas.
La función primordial de muchos de tales metabolitos secundarios no es necesariamente antibacteriana o antifúngica. Algunos inhiben la germinación de esporas.

Varía también su localización en los tejidos. La ubicación de los compuestos antipatógenos difiere de la observada en los compuestos antiherbívoros o alelopáticos.

Los compuestos antipatógenos se alojan principalmente en el exterior de los tejidos y órganos o en el interior de las vacuolas. Los compuestos ubicados en el exterior se hallan asociados por enlaces covalentes o disueltos en una matriz, tal como la pared celular o las cutículas que recubren el exterior de los órganos vegetales. Las agliconas de muchos flavonoides aparecen depositadas, incluso en forma cristalina, en el exterior de las hojas.

Los compuestos alojados en las vacuolas suelen establecer conjugados con carbohidratos o aminoácidos.
Su forma activa, la aglicona hidrofóbica, es liberada por hidrólisis enzimática cuando el contenido vacuolar se vacía por la destrucción del tejido durante el proceso infectivo.

Las defensas fitoquímicas inducibles y las constitutivas se han venido entrelazando en el curso de la evolución. Se hallan, pues, sujetas a presiones selectivas similares. A pesar de las innumerables clases de productos naturales que una especie vegetal es capaz de sintetizar y acumular, no son muchos los que sirven como defensas químicas inducibles.

Estos patrones de actividad biológica siguen relaciones taxonómicas. Las distintas familias vegetales poseen perfiles químicos característicos de fitoalexinas que sugieren la existencia de mecanismos de activación génica originados a partir de un antepasado común. Uno de los ejemplos típicos de esta relación nos lo ofrecen las fabáceas (leguminosas, familia del fréjol), en las que un gran número de especies sintetizan fitoalexinas de tipo isoflavonoide; otro, las solanáceas (la familia de la patata y el tomate), donde las fitoalexinas típicas son sesquiterpenoides.

La existencia de excepciones en esos y otros casos avala la hipótesis según la cual las mutaciones posteriores promovieron la activación de genes de vías biosintéticas alternativas que mostraban una ventaja evolutiva. Abundan las pruebas sobre tales puntos de ruptura en los procesos coevolutivos entre patógenos y sus hospedantes vegetales.
Así, dentro de un grupo bastante homogéneo de leguminosas cultivadas que sintetizan fitoalexinas isoflavonoides, las habas fabrican fitoalexinas poliacetilénicas (wyerona). La aparición, por mutación, de nuevas fitoalexinas constituye una estrategia para levantar un nuevo muro entre la planta y los fitopatógenos ya adaptados a sobrevivir al arsenal químico que existía con anterioridad.

A través de la ingeniería metabólica podría hoy lograrse un resultado similar. En un futuro próximo, podrían introducirse genes que codifican la síntesis de fitoalexinas novedosas. Rüdiger Hain y su grupo iniciaron en 1993 esa línea de trabajo, en el marco de una colaboración entre la empresa Bayer y varias universidades alemanas.

Insertaron el gen de la estilbeno sintasa, proveniente de la vid, en tabaco transgénico. Adquirió éste una mayor resistencia a la infección por el hongo Botrytis cinerea
.
En experimentos más recientes, desarrollados en el laboratorio de Brian McGonigle, de la compañía Du Pont, se logró la síntesis constitutiva de glucósidos del isoflavonoide daidzeína, un miembro de las fitoalexinas del tipo pterocarpano de leguminosas, en células en cultivo de maíz, una monocotiledónea.

El gen introducido, de la enzima isoflavona sintasa, provenía de la soja, una dicotiledónea.

LO PROPIO Y LO AJENO

Ante la invasión de tejidos vegetales por un microorganismo foráneo, la respuesta defensiva inducible más temprana es la muerte celular controlada.

Esta “respuesta hipersensible” de las células vegetales ocurre en aproximadamente 24 horas después que la planta percibe un patógeno potencial. Se trata de un fenómeno conocido desde hace varios decenios. Comparte características generales con la apoptosis, o muerte celular programada. El objetivo de esta apoptosis en la zona en la que se ha detectado la penetración de un microorganismo patogénico es el de aislar al invasor.

En una suerte de equivalente biológico a una estrategia de “tierra quemada”, el fenómeno consiste en retirar los nutrientes al atacante, aislar el área por medio del refuerzo mecánico de las paredes celulares de células circundantes y secretar fitoalexinas en la zona aislada. Estos mecanismos resultan eficaces en el caso de fitopatógenos que no son necrotróficos, es decir, aquellos cuyas toxinas propias provocan la muerte celular, secretan enzimas digestivas que permiten al invasor aprovechar los nutrimentos liberados del tejido muerto o producen ambos efectos.

Los mecanismos de defensa inducibles requieren sistemas de percepción de microorganismos invasores que permitan activar los genes implicados en la respuesta defensiva.

Lo mismo que en nuestro sistema inmunitario, este sistema de percepción debe hallarse capacitado para distinguir lo propio de lo ajeno.

Tales equivalentes vegetales a los antígenos del sistema inmunitario recibieron el nombre de “inductores”.
El primer inductor caracterizado en plantas fue una proteína de bajo peso molecular, monilicolina A, aislada del hongo Monilinia fructicola por Cruickshank y Perrin en 1968. Desde entonces se han identificado numerosos inductores de naturaleza química diversa, con un denominador común: causan, de manera específica, la inducción de genes implicados en reacciones de defensa.

No hemos de olvidar, ciertamente, que las plantas carecen de sistemas de inmunidad celular y humoral propios de células u organismos animales; carecen también de los sistemas circulatorios que los harían posibles. Ahora bien, de ahí a concluir que los animales y las plantas poseen estrategias defensivas distintas media un abismo. Sea por procesos evolutivos de un antepasado común, sea por evolución convergente, plantas y animales parecen poseer mecanismos similares de “inmunidad intrínseca”, es decir, la primera línea de reconocimiento de lo ajeno al organismo.
Este mecanismo de defensa corresponde al que en comienzo se llamó, en las plantas, resistencia antihuésped (“non-host resistance”).

Se trata de una respuesta defensiva de tipo general contra microorganismos que no son patógenos específicos de la planta en cuestión.

A estos mecanismos intrínsecos hemos de añadir los de “inmunidad adaptativa” en animales o los de “resistencia de gen por gen” en los vegetales.

Los sistemas de inmunidad intrínseca no se ordenan al reconocimiento específico de patógenos del organismo, que poseen estrategias para poder evitar ser detectados por el organismo hospedante, sino a la percepción de factores cuya naturaleza química indica la presencia de microorganismos potencialmente nocivos por mecanismos oportunistas.
Estos factores, que representan la mayoría de los inductores aislados hasta el momento, pueden ser polisacáridos, proteínas o peptidoglucanos, localizados extracelularmente o en la superficie del hospedante; difieren poco entre grupos de patógenos.

En la terminología actual, los inductores se llamarían PAMP (de las siglas en inglés de “patrones moleculares asociados a patógenos”).

Los PAMP se unen a receptores de reconocimiento de patrones (PRR), que operan en la transducción de la señal y en la activación de genes de la célula vegetal comprometidos en las tareas de defensa.
Esta síntesis de las teorías de mecanismos defensivos esenciales en organismos multicelulares nos ha permitido contemplar el campo de las defensas inducibles desde una perspectiva unificada.

RESPUESTAS LOCALES Y SISTÉMICAS

La respuesta de defensa se manifiesta en dos niveles. Ambos se inician, directa o indirectamente, con la percepción de un PAMP por un PRR (o el producto de un gen específico de un patógeno y su receptor correspondiente en la planta en las interacciones del tipo genporgen).

El primer nivel de respuesta es local, implica la síntesis de fitoalexinas y puede o no incorporar el elemento apoptótico de “respuesta hipersensible”.

Los efectos posteriores son sistémicos, se manifiestan a distancia y vienen instados por la señalización secundaria producida por las células apoptóticas o células que han activado genes defensivos.

Las respuestas secundarias preparan a tejidos y órganos para defenderse de un proceso infectivo. Tales reacciones comprenden una elevación de los niveles de toxinas defensivas constitutivas, de receptores de patógenos y de reforzamiento estructural de paredes celulares en tejidos. El proceso determina un cambio substancial en el perfil metabólico de las células activadas, con su repercusión consiguiente en la menor productividad de la planta.

Cuando están dirigidas contra patógenos, ese tipo de respuestas constituye lo que se ha dado en llamar “resistencia sistémica adquirida” (SAR) o “resistencia sistémica inducida” (ISR). Pese a las pruebas iniciales obtenidas por el grupo de Pieterse, de la Universidad de Utrecht, que distinguía estos dos fenómenos por sus señales químicas, se les tiende a usar aún de manera intercambiable. (Se debate hoy si “cebar” artificialmente a las plantas resulta más rentable que aplicar plaguicidas a los cultivos.)

La señalización sistémica secundaria se caracteriza por su complejidad. Intervienen el metabolismo secundario y el patrón bioquímico de los lípidos de membrana. A ese nivel, la señalización, de índole preferentemente general, se comparte entre las respuestas defensivas ante la agresión de microorganismos y ante herbívoros.

Todas las vías de la señalización identificadas contienen elementos volátiles. Al parecer, cumplen éstos una función de transmisión de la información en el seno de la propia planta y entre plantas distintas. Los tres elementos principales abordados han sido, en orden cronológico, etileno, ácido salicílico y su éster metílico y el ácido jasmónico y su éster metílico. Este último forma parte de un sistema extenso de mensajeros intracelulares e intercelulares, incluido el metabolismo de lípidos de membrana; dentro del sistema se siguen identificando nuevas señales moduladoras.

El etileno es la única hormona volátil específica de las plantas. Se descubrió en los albores de la fisiología vegetal, junto con las auxinas (derivados del triptófano). Su carácter de mensajero en tareas defensivas se halló, sin embargo, en fecha muy reciente. La emisión de etileno por tejidos vegetales dañados permite la activación sistémica de genes defensivos en tejidos sanos distantes de la zona dañada o de plantas alejadas que podrían estar expuestas al mismo agente invasor o herbívoro.

Bart Geraats, del laboratorio de Kees van Loon en la Universidad de Utrecht, ha obtenido pruebas de la participación decisiva del etileno en la resistencia contra patógenos.

Trabajando con plantas de tabaco insensibles al etileno, mostraron éstas una susceptibilidad al ataque de patógenos muy alta en comparación con fenotipos silvestres.

Más aún, sólo podían cultivarse en condiciones asépticas. Y lo que reviste mayor interés, la aplicación de activadores químicos sintéticos de SAR, tales como el benzotiadiazol (BTH), que inducen esta resistencia adquirida, no incrementaba la resistencia en este genotipo insensible al etileno.

Por:Jorge M. Vivanco, Eric Cosio, Víctor M. Loyola-Vargas y Héctor E. Flores