Agricultura Botánica y Genética Europa

Cómo las plantas producen toxinas defensivas sin hacerse daño a sí mismas

Cómo las plantas producen toxinas defensivas sin hacerse daño a sí mismas
La larva de una polilla de halcón del tabaco Manduca sexta en una hoja de tabaco silvestre: un análisis químico detallado de excrementos larvarios (pequeña bola negra) reveló cómo se activan las toxinas en las orugas, proporcionando así pistas sobre la biosíntesis de las toxinas en la planta, a la inversa. proceso en comparación con la digestión, o como lo llamaron los científicos: el «dúo digestivo». Crédito: Anna Schroll

Las plantas producen sustancias tóxicas para defenderse de los herbívoros. 


por Max Planck Society

En un nuevo estudio, científicos del Instituto Max Planck de Ecología Química en Jena y la Universidad de Münster, Alemania, pudieron describir en detalle la biosíntesis y el modo de acción exacto de un importante grupo de sustancias defensivas, los glucósidos de diterpeno, en plantas de tabaco silvestre. 

Los glucósidos de diterpeno permiten a las plantas defenderse de los herbívoros. El estudio muestra que estos químicos vegetales atacan ciertas partes de la membrana celular. 

Para protegerse de sus propias toxinas y evitar que se dañen sus membranas celulares, las plantas de tabaco almacenan estas sustancias en una forma no tóxica, que se sintetiza de una forma muy particular. La autotoxicidad y la protección contra ella parecen jugar un papel más importante en la evolución de las defensas de las plantas de lo que se pensaba anteriormente.Ciencia .

Muchas plantas producen defensas químicas para protegerse contra las comidas. Aún se sabe poco sobre qué hace que estas sustancias sean tóxicas para sus consumidores. Investigadores del Instituto Max Planck de Ecología Química y la Universidad de Münster ahora han investigado cómo las plantas producen toxinas y las almacenan en sus tejidos sin dañarse a sí mismas. En particular, querían saber si los mecanismos de autotoxicidad y su prevención comparten mecanismos similares a las características tóxicas que brindan defensa contra los herbívoros.

Autotoxicidad y defensa

Para sus experimentos, eligieron glucósidos de diterpeno de las plantas Nicotiana attenuata, una especie de tabaco silvestre. «Estas sustancias se encuentran en concentraciones muy altas en las hojas de las plantas de tabaco. Pero no teníamos idea de por qué eran defensas tan efectivas o por qué podían ser tan tóxicas de producir. Así que la situación era completamente diferente a la otra toxina muy abundante que esta que produce la planta, a saber, nicotina. La nicotina es una neurotoxina específica. Dado que las plantas carecen de nervios y músculos, no ofrecen un objetivo para la toxina. Por lo tanto, producir y almacenar nicotina no daña las plantas «, dice Ian Baldwin del Departamento de Ecología Molecular de la Instituto Jena Max Planck, donde se realizó el estudio.

Para su sorpresa, los investigadores encontraron que las plantas de tabaco que se habían transformado para que ya no pudieran producir dos proteínas involucradas en la biosíntesis de los glucósidos diterpénicos y, por lo tanto, tampoco formar las sustancias defensivas almacenadas en grandes cantidades en las hojas, mostraron síntomas visibles. de autointoxicación: estaban enfermos, no podían crecer normalmente y ya no podían reproducirse. Otros experimentos revelaron que ciertos componentes de la membrana celular, los llamados esfingolípidos, habían sido atacados.

Cómo las plantas producen toxinas defensivas sin hacerse daño a sí mismas
Frassomics: Jiancai Li recolecta excremento de una larva de Manduca sexta dejada en una planta de tabaco para un análisis detallado. Crédito: Anna Schroll

Apuntando a la membrana celular

Los esfingolípidos son sustancias que se encuentran en todos los animales y plantas, incluidos los enemigos del tabaco silvestre, las larvas de la polilla del tabaco Manduca sexta. Por tanto, los investigadores preguntaron si el metabolismo de los esfingolípidos podría ser el objetivo de los glucósidos diterpénicos. De hecho, las orugas de Manduca sexta, que se habían alimentado de plantas sin glucósidos de diterpeno, crecieron significativamente mejor que las larvas, que se habían alimentado de controles que contenían los químicos defensivos. Los análisis de los excrementos de las larvas de Manduca sexta, que habían ingerido glucósidos de diterpeno con sus alimentos, proporcionaron más información, ya que la degradación de las toxinas de las plantas durante la digestión de las larvas es más o menos en orden inverso a la síntesis de las sustancias en la planta. Las plantas previenen las autolesiones al almacenar las sustancias defensivas en una forma no tóxica. Sin embargo, cuando los insectos se alimentan de la planta, una parte de la molécula no tóxica se escinde y el químico se activa o «arma». «Curiosamente, en ambos casos, en plantas con biosíntesis incompleta del glucósido diterpeno y en la alimentación de las orugas, el objetivo de las toxinas es el metabolismo de los esfingolípidos», dice el primer autor Jiancai Li.

Los esfingolípidos son mediadores en muchos procesos fisiológicos. Esto hace que el efecto de los glucósidos de diterpeno sobre el metabolismo de los esfingolípidos sea tan intrigante. «Los glucósidos de diterpeno y sus derivados pueden tener amplias funciones defensivas contra muchas plagas agrícolas y hongos patógenos. Al mismo tiempo, muchas enfermedades humanas, como la diabetes, el cáncer y algunas enfermedades neurodegenerativas, también están asociadas con un metabolismo elevado de esfingolípidos», dice Shuqing Xu de el Instituto para la Evolución y la Biodiversidad de la Universidad de Münster, que es uno de los autores principales del estudio. Los médicos han estado buscando sustancias eficaces para tratar estas enfermedades inhibiendo el metabolismo de los esfingolípidos. Los glucósidos de diterpeno estudiados aquí podrían ser candidatos potenciales para futuras investigaciones.

«Frasómica»: una nueva herramienta poderosa para estudiar las interacciones entre organismos

El análisis de excrementos larvarios resultó ser la clave del éxito de este estudio. Los científicos llaman a este nuevo enfoque «frasómica»: una combinación de excrementos (excrementos de larvas) y metabolómica, el análisis de todos los metabolitos en un organismo. «A partir de este trabajo, nos dimos cuenta de que la frasómica puede ser una herramienta de investigación muy poderosa. El análisis de excrementos larvarios puede proporcionar pistas metabólicas sobre cómo lo que produce un organismo es metabolizado por los organismos consumidores», dice Ian Baldwin.

Los científicos planean obtener más información sobre los «dúos digestivos» que se producen entre plantas e insectos, con el fin de comprender mejor las interacciones ecológicas entre plantas, insectos y microorganismos.


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