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¿Cómo hace Sclerotinia para superar las defensas de las plantas?

¿Cómo hace Sclerotinia para superar las defensas de las plantas?

Un grupo de científicos identificó un efector que permite que el hongo que causa la pudrición del tallo, moho blanco, Sclerotinia sclerotiorum, en muchas especies de plantas inactive la proteína inhibidora de la enzima poligalacturonasa vegetal

Beatriz Riverón, Bioquímico farmacéutica

 

Un equipo de científicos del Servicio de Investigación Agrícola del Departamento de Agricultura de EE. UU. y de la Universidad Estatal de Washington identificó una proteína que permite que el hongo que causa la pudrición del tallo por moho blanco en más de 600 especies de plantas supere las defensas de las plantas.

El conocimiento de esta proteína, llamada SsPINE1 (Sclerotinia sclerotiorum PGIP-INactivating Effector 1) podría ayudar a los investigadores a desarrollar un sistema nuevo y más preciso de medidas de control para el hongo Sclerotinia sclerotiorum, que ataca a las patatas, a la soja, al girasol, a los guisantes, a las lentejas, a la canola (colza, Brassica napus) y a muchos otros cultivos de hoja ancha. El daño puede sumar miles de millones de dólares en un año de brotes graves.

Los ataques de S. sclerotiorum hacen que las plantas se descompongan y mueran al secretar enzimas llamadas poligalacturonasas (PG), que rompen las paredes celulares del vegetal. Las plantas desarrollaron una forma de protegerse mediante la producción de una proteína que detiene o inhibe la acción de estas enzimas liberadas por el fitopatógeno, denominada PGIP, que se descubrió en 1971. Desde entonces, los científicos han sabido que algunos hongos patógenos tienen una forma de superar la actividad de PGIP de la planta, pero no habían sido capaces de identificarlo.

Las proteínas inhibidoras de poligalacturonasa (PGIP) son constituyentes de la pared celular y bloquean la actividad de despolimerización de pectina por las poligalacturonasas secretadas por patógenos microbianos e insectos. Estos inhibidores ubicuos tienen una estructura rica en leucina que está fuertemente conservada en plantas monocotiledóneas y dicotiledóneas. Se ha estudiado la importancia de PGIP en la defensa de las plantas y la base estructural de la interacción PG-PGIP.

Existe lucha continua entre los patógenos fúngicos y sus huéspedes vegetales, una intensa batalla de ataque y de las interacciones planta-patógeno como por ejemplo la de las de enzimas.

Dado que la pared celular de la planta es una barrera importante para la intrusión de microorganismos patógenos, éstos secretan una serie de enzimas que la degradan con el fin de obtener acceso.

Una parte importante de estas enzimas son las poligalacturonasas (PG) que degradan la pectina, ya que la pectina es un componente importante de la pared celular y la lámina media.

Los genomas de patógenos necrotróficos a menudo codifican múltiples copias de PG. Por ejemplo, S. sclerotiorum tiene un genoma que codifica al menos cinco endo-poligalacturonasas que se expresan en diferentes etapas y condiciones de infección. Las PG desempeñan un papel importante en la virulencia, como ya ha sido demostrado por investigaciones que eliminaron genes en Botrytis cinerea y mediante estudios enzimáticos y de expresión en S. sclerotiorum.

Para su defensa, todas las plantas estudiadas hasta ahora han evolucionado para tener PGIP ancladas a la pared celular que son capaces de unirse a las PG fúngicas y mitigar sus actividades hidrolíticas, proporcionando la primera línea de defensa contra la infección.

Las PGIP constituyen una superfamilia de proteínas ricas en leucina unidas a la pared celular, una característica de estructura conservada de las proteínas de resistencia a enfermedades de las plantas y para las interacciones proteína-proteína.

Las PGIP se descubrieron por primera vez en 1971 a partir de paredes celulares de frijol (alubia), tomate y cultivos celulares de sicomoros (Ficus sycomorus L). Desde entonces, se ha demostrado que ocurren en todas las plantas y, a menudo, están codificados por familias multigénicas.

Las PGIP funcionan limitando la invasión fúngica de dos maneras: como inhibidores y reguladores de la actividad de las PG, y evitando la acumulación de oligogalacturónidos de cadena corta (productos de la degradación parcial de la pectina vegetal por las PG fúngicas) que se reconocen como patrones moleculares asociados al daño en la obtención de respuesta de defensa vegetal. La sobreexpresión de PGIP a menudo reduce la gravedad de la enfermedad, lo que demuestra el papel de estas proteínas en la mejora de la inmunidad de las plantas.

Las PG fúngicas son muy sensibles a la inhibición por parte de las PGIP en los ensayos enzimáticos. Por ejemplo, la actividad de SsPG6 de Sclerotinia sclerotiorum fue severamente inhibida por BnPGIP de Brassica napus. Sin embargo, las líneas de Arabidopsis thaliana que sobreexpresan BnPGIP1 o BnPGIP2 no muestran diferencias observables en el fenotipo experimentado en comparación con la línea de control de tipo salvaje, excepto que las plantas que expresan BnPGIP2 muestran un retraso inicial en la aparición de la enfermedad. Asimismo, las líneas transgénicas de colza que sobreexpresan BnPGIP10 no mejoraron la resistencia a la infección por Sclerotinia sclerotiorum. Estas incidencias de niveles de expresión aumentados de PGIP que no logran aumentar la resistencia a la infección por Sclerotinia sugieren que el hongo posee un mecanismo o mecanismos para superar la resistencia proporcionada por los PGIP.

S. sclerotiorum es un patógeno necrotrófico de plantas con una amplia variedad de huéspedes de más de 600 especies de plantas, incluidas la mayoría de las dicotiledóneas y algunas plantas monocotiledóneas no gramíneas que tienen un alto contenido de pectina en su pared celular. De hecho, S. sclerotiorum es responsable de daños significativos en muchos cultivos económicamente importantes y, a pesar de extensos estudios, los mecanismos de su patogenia necrotrófica aún no se comprenden adecuadamente.

Recientemente, científicos propusieron, basándose en evidencia citológica de infección y respaldado por investigaciones genéticas, un modelo de infección de dos fases en el que el patógeno suprime las reacciones de defensa basal del huésped en la primera fase e induce necrosis y macera el tejido del huésped en la segunda fase.

S. sclerotiorum secreta ácido oxálico, como PG y otros factores de patogenicidad durante la infección de la planta. Estudios anteriores que utilizaron mutantes genéticamente inducidos por UV que perdieron concomitantemente la producción de ácido oxálico y la patogenicidad, llevaron a la conclusión de que el ácido oxálico es el principal determinante de la patogenicidad. Sin embargo, estudios más recientes mostraron que el papel del ácido oxálico es más probable en la segunda fase de la infección ya que mutantes con producción de oxalato reducida aún retienen la patogenicidad y siguen siendo altamente virulentos en muchas plantas huésped. Como toxina no específica, el ácido oxálico puede aumentar la virulencia al regular la autofagia y la muerte celular programada de tipo apoptótico.

Mirando más allá del ácido oxálico, el genoma de S. sclerotiorum codifica docenas (>70) de proteínas potencialmente secretadas que son supuestos efectores de patogenicidad y que pueden interactuar y modular la respuesta del huésped a la infección.

Algunas de las supuestas proteínas efectoras secretadas se han confirmado empíricamente. Para los efectores asociados a la virulencia de S. sclerotiorum cuyos objetivos del huésped son conocidos, los efectores SsSSVP1 y SsCP1 se dirigen a la subunidad 8 del complejo citocromo b-c1 y la proteína resistente PR1 de la planta, respectivamente; ambos objetivos están altamente conservados en las plantas, lo que contribuye a la necrotrofia de amplio rango de huéspedes. Sin embargo, aún se desconoce cómo S. sclerotiorum supera específicamente la inhibición de PG impuesta por las PGIP de plantas.

En el trabajo de Wei et al. los científicos observaron una pequeña proteína efectora fúngica secretada por S. sclerotiorum que puede inactivar PGIP.

Este efector de inactivación de PGIP, SsPINE1, interactúa directamente con las PGIP de la planta para mejorar la disociación de PG-PGIP, lo que da como resultado la supresión de la inmunidad innata de la planta y la mejora de la degradación de la pectina y, en consecuencia, la virulencia necrotrófica.

La eliminación de SsPINE1 reduce la virulencia de S. sclerotiorum. Por el contrario, la expresión ectópica de SsPINE1 en la planta reduce la resistencia de la planta contra el hongo. La identificación de SsPINE1 es un paso crucial para comprender el complejo mecanismo de infección de este importante fitopatógeno.

Además, se proporciona evidencia de que el mecanismo de inactivación de PGIP mediado por SsPINE1 se conserva evolutivamente entre una gama de hongos necrotróficos de amplia variedad de huéspedes.

Los esfuerzos actuales en el despliegue de PGIP para mejorar la resistencia de las plantas se centran en mejorar la expresión de PGIP conocidos y descubrir o “diseñar” nuevos PGIP con potencia mejorada, para evitar el reconocimiento por parte de SsPINE1 y un espectro de reconocimiento de PG ampliado e implementarse para la reproducción efectiva de plantas resistentes contra patógenos fúngicos necrotróficos que poseen PINE1.

Los resultados de este estudio revelan que SsPINE1 actúa en el campo de batalla de PG-PGIP. S. sclerotiorum produce SsPINE1 que desactiva las PGIP de la planta, lo que da como resultado la liberación de PG y el aumento de la virulencia necrotrófica. Homólogos con funciones similares también están presentes en B. cinerea y en otros patógenos necrotróficos.

El descubrimiento de SsPINE1 ha abierto nuevas vías para investigar el control de los patógenos de la pudrición del tallo del moho blanco, incluida una reproducción de las plantas más específica y aún más efectiva para hacerlas naturalmente resistentes a las enfermedades de la esclerotinia.

 

Fuentes
Kalunke , R. M.; Tundo , S.; Benedetti , M.; Cervone , F.; De Lorenzo , G.; D’Ovidio, R. (2015).
An update on polygalacturonase-inhibiting protein (PGIP), a leucine-rich repeat protein that protects crop plants against pathogens.
Front Plant Sci, 6:146.

Wei , W.; Xu , L.; Peng , H.; Zhu , W.; Tanaka , K.; Cheng , J.; Sanguinet , K. A.; Vandemark , G.; Chen, W. (2022).
A fungal extracellular effector inactivates plant polygalacturonase-inhibiting protein.
Nat Commun, 13(1):2213.

Imagen
https://maissoja.com.br/mofo-branco-elevados-danos-e-persistencia/ Acceso el 29/04/2022.

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