miércoles, 20 de diciembre de 2017

Inmunidad disparada por efectores en plantas



La inmunidad disparada por efectores se daría como última defensa, ya que tras sobrepasar la inmunidad disparada por PAMPs mediante efectores bacterianos, la planta tiene la oportunidad de reconocer esas proteínas utilizadas por el patógeno. Se trata del reconocimiento de unas moléculas específicas de cada patógeno, y no de forma general como la disparada por PAMPs.

Inmunidad disparada por efectores en plantas y biologia

Este tipo de inmunidad disparada por efectores antiguamente se conocía como reacción de hipersensibilidad (HR), una aparición de tejido necrótico en la zona donde se inoculaba el patógeno. Se trata de una muerte celular programada disparada en respuesta a patógenos, donde va a matar, a parte de sus células, al patógeno invasor.

Estos mecanismos de defensa que se disparan por efectores los vamos a ilustrar con la interacción del oídio de las cucurbitáceas (Podosphera xantii) y el melón. Vamos a comparar lo que ocurre en un cultivar sensible y en un cultivar resistente.

- Producción de especies reactivas de oxígeno


Es la respuesta más rápida tras la activación de inmunidad disparada por efectores. En cultivares sensibles se observa una respuesta muy leve de producción de ROS, mientras que en cultivares resistentes se observa una gran cantidad de células produciendo y acumulando estas especies reactivas de oxígeno.

Además de la diferencia de intensidad en ambas especies, también se ha observado que la respuesta también se da de forma más rápida, ya que en mucho menor tiempo la planta resistente produce mucha mayor cantidad de ROS.

Aunque las plantas sensibles sí responden a los patógenos, lo hacen de forma mucho más débil y lenta, lo que marca la diferencia en el proceso y permite que los patógenos si puedan desarrollarse y causar la enfermedad.

Estas especies reactivas de oxígeno tienen un papel importante en la oxidación de las moléculas de la bacteria, como la membrana celular, produciendo una alteración de la permeabilidad y la muerte de la misma. Pero esto también ocurre sobre la célula de la planta, causando también su muerte (aunque esto impide el desarrollo del patógeno sobre esa célula).

Este efecto oxidante también va a ser necesario para otros mecanismos de respuesta, como el reforzamiento de paredes celulares, ya que es necesario un ambiente oxidativo para que se pueda dar el entrecruzamiento de los distintos componentes de la pared celular. También van a actuar sobre la producción de proteínas PR, actuando como mensajeros secundarios para las mismas, como es el caso de la glucanasa.

- Reforzamiento de la pared celular


Las células atacadas por el patógeno y que responden realizan un reforzamiento de su pared mediante depósitos de calosa y lignina. En los cultivares sensibles se ha observado una respuesta y reforzamiento de pared muy leve, con un porcentaje de células infectadas respondiendo muy bajo. Por otro lado, en las plantas resistentes, el porcentaje de células que responden y sintetizan depósitos de lignina y calosa es muy alto (mayor del 80%).

De igual manera que con la producción de especies reactivas de oxígeno, la respuesta que se da en las plantas resistentes es mucho más rápida y fuerte que en las plantas sensibles, las cuales se dan de forma muy débil y muy lenta. El reforzamiento de la pared celular implica la producción de estos depósitos y la producción de otros elementos de la pared celular, como proteínas ricas en glicina e hidroxiprolina que forman parte del entramado que supone la formación de una pared celular engrosada.

La función de este reforzamiento de la pared celular, en cuanto al hongo, es la de dificultar la penetración del patógeno y su dispersión. Desde el punto de vista de la planta, este reforzamiento se ve traducido en una menor comunicación entre células y en una menor cantidad de nutrientes recibidos. Por ende, la célula acaba muriendo tanto por este reforzamiento como por la actividad de los ROS.

También existe un componente tóxico asociado al reforzamiento de esta pared celular, los fenoles que forman parte de la lignina. Para que el depósito de lignina tenga lugar tienen que sintetizarse compuestos fenólicos que son tóxicos para el patógeno y para la planta.

- Producción de fitoalexinas


Las fitoalexinas son antimicrobianos producidos por las plantas y, además de formar parte de los mecanismos de defensa pasiva, también se va a incrementar su síntesis en respuesta a patógenos. Son inhibidores de amplio espectro, es decir, no son específicos.

Hay distintas familias de fitoalexinas, aunque las más estudiadas son las de la familia de los fenilpropanoides. Cada especie vegetal tiene sus propias fitoalexinas fenilpropanoides, aunque la estructura es parecida en todas y se caracteriza por la presencia de anillos fenólicos.

Los fenilpropanoides se sintetizan a través de rutas más o menos complejas dependiendo de la fitoalexina, aunque todos ellos tienen como precursor común la fenilalanina, la cual comienza la ruta a través de la enzima PAL (fenilalanina amonio liasa). En esta misma ruta de síntesis encontramos los intermediarios de la síntesis de lignina (como mencionamos anteriormente).

En cuanto a la comparación entre ambos tipos de plantas, en las plantas sensibles encontramos una producción de fitoalexinas muy elevada, aunque muy tardía en el tiempo; mientras que en plantas resistentes encontramos una producción mucho más rápida, aunque no tan elevada.

En los estudios realizados en la expresión de PAL, se ha observado que los niveles de proteínas se mantienen constantes durante todo el proceso tanto en plantas resistentes como en plantas sensibles, no pudiendo encontrar ninguna diferencia significativa entre ambos tipos de plantas.

A esto debemos decir que la proteína PAL corresponde a una familia génica, y es posible que lo estudiado sea solamente uno de los miembros de dicha familia génica y se desconozcan los demás miembros. O quizá que los niveles encontrados de PAL son suficientes para permitir la expresión de la ruta de síntesis de fitoalexinas y no necesita una mayor cantidad de proteínas.

- Síntesis de proteínas PR


Se trata de distintas familias de proteínas que se expresan en respuesta a patógenos y que tienen distintas actividades, como actividades antifúngicas, actividades β-1,3-glucanasa, actividades quitinasas, proteasas, peroxidasas, defensinas, etc.

Las proteínas PR más caracterizadas y estudiadas son las proteínas PR2 y PR3, que son las β-1,3- glucanasa y las quitinasas, que son proteínas claramente antifúngicas que van a actuar sobre residuos de β-glucano o los componentes de quitina de la pared celular fúngica.

Respecto a estas dos familias de proteínas PR, en plantas sensibles no existe un cambio de actividad hasta pasados 5 o 6 días de la inoculación. Por otra parte, en plantas resistentes se observa una expresión de dichas proteínas al segundo día desde la inoculación, lo que vuelve a confirmar que las respuestas en plantas resistentes son mucho más rápidas. De igual manera, los mensajeros de dichas proteínas se detectan mucho antes en plantas resistentes que en plantas sensibles (de 12h en resistentes a 3 días en sensibles).

Estas proteínas PR se expresan en diferentes isoformas, las cuales suelen diferir en tamaño y en punto isoeléctrico. Por ejemplo, las de la familia de las β-1,3-glucanasa tenemos una isoforma común tanto en plantas sensibles como resistentes, y una isoforma diferente en cada una donde reside la diferencia en la respuesta de ambas plantas.

Las isoformas de pHs ácidos se acumulan en el apoplasto, mientras que las de pHs básicos se acumulan en la vacuola. Estas últimas, al morir la célula, se liberan y pueden llevar a cabo su acción.

Estos mecanismos que estamos analizando son mecanismos que participan en la defensa de la planta pero que no son específicos de respuestas a estreses bióticos, sino que son mecanismos de respuesta a estrés en general. Si sometemos una planta a estrés abiótico, como la toxicidad de metales, encontramos respuestas similares.

El concepto está en que, en las plantas resistentes, el mecanismo se expresa de forma rápida porque es capaz de reconocer al patógeno, mientras que en una planta sensible se disparan los mecanismos como consecuencia del desarrollo de la enfermedad, no como consecuencia del reconocimiento del patógeno.

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Artículo redactado por Pablo Rodríguez Ortíz, estudiante de Biología en la Universidad de Málaga.