¿Cómo inducir la resistencia a fitopatógenos de frutas y hortalizas?
El ARN de interferencia (ARNi o iRNA) es una estrategia a explorar para la inducción de resistencia a fitopatógenos en frutas y hortalizas
Beatriz Riverón, Bioquímico farmacéutica
La interferencia de ARN (ARNi) es un mecanismo que ocurre naturalmente en plantas, animales y hongos, y actúa en la respuesta de defensa de estos organismos contra la invasión de patógenos, como los virus.
La investigación agrícola siempre busca optimizar la producción de alimentos suficientes para satisfacer la demanda de una población mundial en crecimiento. Todo este potencial logrado se debe a la capacidad de comprender en su totalidad la composición y la organización de los organismos, así como sus interacciones y con el medio ambiente, de modo a transformar esta información en herramientas innovadoras para incrementar el rendimiento de las cosechas.
En el campo de la sanidad vegetal, las soluciones encontradas están mayoritariamente asociadas a la resistencia genética y al control químico. Sin duda, la mejora genética es la mejor alternativa para generar soluciones a los problemas actuales y futuros. Pero, en la ausencia de resistencia genética a las plagas, se hace necesario el uso de control químico, siendo ampliamente utilizado en la agricultura, horticultura y fruticultura modernas. Sin embargo, los problemas asociados con el costo de generación y la vida útil, y los problemas de contaminación, están exigiendo la necesidad de nuevas tecnologías de control de fitopatógenos más eficientes y con menos impacto socio-ambiental.
La tecnología de interferencia de ARN (ARNi o RNAi) representa esta realidad, ya que está transformando un conjunto de conocimientos en tecnologías de amplia aplicabilidad. El uso de estrategias ARNi se está realizando y con éxito en la investigación aplicada en diferentes áreas de la ciencia. En la horticultura y fruticultura, la tecnología ARNi y la manipulación de la expresión genética se está iniciando en el control de plagas.
¿Cuál es el mecanismo por el cual actúa el ARNi?
Es importante entender que el ARNi es un mecanismo que ocurre naturalmente dentro de las células de organismos eucariotas (plantas, animales y hongos), y sus principales funciones son controlar la expresión génica y defenderse principalmente de las infecciones por virus.
Cualquier organismo para sobrevivir y responder a estímulos internos y externos requiere que sus células sean capaces de controlar la expresión de sus genes, pudiendo “encenderlos” o “apagarlos” en función de las necesidades del organismo o incluso de un cierto tejido.
Al activar la expresión de un gen, primero se transcribe su ADN en ARN mensajero (ARNm), siendo éste transportado desde el núcleo hasta el citoplasma, donde se traduce en una proteína. La célula necesita controlar la expresión de sus genes, reduciéndola o desactivándola. Para esta tarea, utiliza el mecanismo de ARNi, que conduce al silenciamiento génico, siendo que este fenómeno se caracteriza por la degradación específica de determinados ARNm.
El proceso básico de ARNi se puede dividir en tres pasos principales.
-Primeramente, el mecanismo se activa por la presencia de una molécula de ARN bicatenario, es decir, constituído por dos cadenas de ARN (ARNdc), molécula desencadenante, que puede ser endógena o exógena.
Luego, este ARN se corta en pequeños ARN bicatenarios conteniendo de 21-25 pares de nucleotídeos mediante la catálisis de una enzima ribonucleasa llamada Dicer, generando los llamados ARN interferentes pequeños (ARNip). Los ARNip son moléculas involucradas en el mecanismo de control de la expresión génica conocidos como interferencia de ARN (ARNi).
-En el segundo paso, se degrada una de las cadenas de ARNip y la restante (denominada cadena guía) se incorpora a un complejo proteico conocido como “Complejo silenciador inducido por ARN” -RISC-, do inglés, RNA Induced Silencing Complex.
-En el último paso, el complejo RISC identifica y degrada los ARNm que tienen secuencia complementaria (de emparejamiento de bases) al ARNi. Esta característica es la que garantiza la alta especificidad del mecanismo, y, por otro lado, su carácter sistémico ya que el ARNi después de ser activado en una célula, una “señal” es “transmitida” para otras células.
Tecnología ARNi
El uso aplicado de la tecnología ARNi se basa en manipular su mecanismo para que funcione a nuestro favor. El direccionamiento de la maquinaria de ARNi está mediado por moléculas de ARNdc (de doble cadena, bicatenario), por lo que, si queremos silenciar un gen específico dentro de una célula, solo necesitamos proporcionarle un ARNdc que contenga la secuencia homóloga al gen de interés que se desea silenciar. Al bloquear la expresión de un gen que sea esencial para la célula, ésta, y más tarde el organismo en su conjunto morirá. RNAi podrá establecer un nuevo nivel de control de plagas, denominado “control de plagas altamente específico” (Highly Specific Pest Control, HiSPeC), en el que será posible controlar una especie determinada sin afectar a las especies hospederas.
El hecho de que la especificidad del mecanismo de ARNi esté mediada por la secuencia contenida en el ARNdc, hace que la tecnología sea versátil, segura y duradera. Versátil porque es posible diseñar moléculas de ARNdc específicas para una especie de plaga o capaces de afectar a múltiples plagas, incluso siendo estas un virus, un insecto o un hongo determinados.
Es segura porque garantiza que, a pesar de que tanto la plaga como la especie benéfica tengan el mismo gen, sus secuencias presentan pequeñas alteraciones, permitiendo crear un ARNdc que solo afecta a la plaga. Este aspecto también permite la predictibilidad de la acción, ya que permite comparar la secuencia de ARNdc con las existentes en la base de datos mundial (NCBI National Center for Biotechnology Information) y así estimar de antemano qué especies deberían verse afectadas por un ARNdc particular. Y duradera pues se espera una baja probabilidad del surgimiento de poblaciones resistentes, ya que para escapar del mecanismo será necesario que el gen en cuestión esté profundamente alterado.
La aplicación de la tecnología ARNi para el control de plagas en la horticultura y fruticultura, puede realizarse de forma directa (el efecto del ARNi sobre la plaga) como indirecta (“efecto” del ARNi de la plaga en el huésped). El control directo de plagas abarca los casos en los que la activación de ARNi por un ARNdc particular ocurrirá en el fitopatógeno (hongo, insecto) o maleza a controlar, resultando preferentemente en la muerte cuando el gen silenciado es vital. El control indirecto, comprende principalmente el control de virus. En este caso, el ARNdc funciona como una vacuna, activando el ARNi en la célula huésped para degradar el genoma viral antes de iniciar el proceso de infección.
El uso tópico de ARNdc ha tenido gran interés ya que representa una alternativa efectiva sin tener que crear OGM (organismos genéticamente modificados). En este caso, el ARNdc se produce in vitro, mediante síntesis química o en microorganismos como bacterias y levaduras, y se puede suministrar a la planta mediante el sistema radicular o mediante pulverización. En el caso de insectos y hongos patógenos, el ARNdc puede ser absorbido por las semillas tratadas o por absorción directa de la planta huésped desde el suelo inoculado.
Con el desarrollo de nuevos métodos de producción en alta escala de ARNdc de bajo costo, las técnicas basadas en ARNi sin el uso de transgénicos se convierten en una alternativa económicamente viable.
Por ejemplo, las enfermedades de origen viral se destacan entre las que más impactan en la cadena productiva del tomate y pueden afectar directamente el rendimiento y la calidad del fruto. En general, las plantas son más susceptibles a los virus en las primeras etapas del ciclo del cultivo, razón por la cual las infecciones tempranas resultan en mayores daños y perjuicios. Como los vectores de virus más importantes son los insectos, especialmente la mosca blanca, la aplicación de plaguicidas para eliminarlos ha sido la principal medida de control de estas enfermedades. Sin embargo, los insecticidas generalmente tienen baja eficiencia y aumentan en gran medida el costo de producción, además de caer en problemas inherentes a la contaminación ambiental y humana.
Otro ejemplo: el género Phytophthora está compuesto principalmente por patógenos vegetales (hongos). Se destaca por las importantes enfermedades que provoca en los cultivos, representando pérdidas económicas importantes, como la enfermedad de la tinta del castaño europeo, que es causada por P. cinnamomi. Ya existen algunos enfoques biotecnológicos que utilizan control biológico orientado hacia el silenciamiento de genes mediante interferencia de ARN (ARNi).
Observación: en la literatura científica internacional suele emplearse las siguientes notaciones:
Para ARNdc: dsRNA – double stranded-; para ARNi: iRNA; para ARNip: siRNA-small-; para ARNm: mRNA; para ADN: DNA.
Fuentes
https://www.embrapa.br/busca-de-noticias/-/noticia/18758440/rnai-uma-estrategia-a-ser-explorada-para-a-inducao-de-resistencia-a-viroses-em-tomateiro
el 26/06/2021
https://maissoja.com.br/interferencia-por-rna-rnai-para-o-controle-de-pragas-e-doencas/
el 26/06/2021
Haiyong Han
RNA Interference to Knock Down Gene Expression
Methods Mol Biol 1706:293-302, 2018.
Darling de Andrade Lourenço , Iuliia Branco , Altino Choupina
Phytopathogenic oomycetes: a review focusing on Phytophthora cinnamomi and biotechnological approaches
Mol Biol Rep 47(11):9179-9188, 2020.
Shaoshuai Liu , Maelle Jaouannet , D’Maris Amick Dempsey , Jafargholi Imani , Christine Coustau , Karl-Heinz Kogel
RNA-based technologies for insect control in plant production
Biotechnol Adv 39:107463, 2020.
Imágenes
https://www.news-medical.net/life-sciences/RNA-interference-in-biotechnology-(Portuguese).aspx el 26/06/2021
https://www.embrapa.br/busca-de-noticias/-/noticia/18758440/rnai-uma-estrategia-a-ser-explorada-para-a-inducao-de-resistencia-a-viroses-em-tomateiro el 26/06/2021
Este artículo fue publicado originalmente en Informe Frutihortícola
