Un hongo que afecta a los cultivos de arroz en todo el mundo logra entrar en las células de las plantas de una manera que las deja vulnerables a los bloqueadores químicos simples, un descubrimiento que podría conducir a nuevos fungicidas para reducir las pérdidas anuales sustanciales de arroz y otros cereales valiosos.
por Robert Sanders, Universidad de California – Berkeley
Cada año, el añublo, causado por el hongo patógeno Magnaporthe oryzae, ataca y mata plantas que representan entre el 10 % y el 35 % de la cosecha mundial de arroz, dependiendo de las condiciones climáticas.
Los bioquímicos de la Universidad de California, Berkeley, dirigidos por Michael Marletta, profesor de química y de biología molecular y celular, han descubierto que el hongo secreta una enzima que perfora la dura capa exterior de las hojas de arroz. Una vez dentro, el hongo crece rápidamente e inevitablemente mata a la planta.
En un artículo publicado esta semana en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences , Marletta y sus colegas describen la estructura de la enzima y cómo funciona para ayudar al hongo a invadir las plantas. Debido a que la enzima se secreta en la superficie de la hoja de arroz, un simple rociado podría ser eficaz para destruir la capacidad de la enzima para digerir la pared de la planta. Los científicos ahora están examinando productos químicos para encontrar los que bloquean la enzima.
«Las estimaciones son que si pudiera eliminar este hongo, podría alimentar a 60 millones de personas más en el mundo», dijo Marletta, la Cátedra Choh Hao y Annie Li en Biología Molecular de Enfermedades en UC Berkeley. «Esta enzima es un objetivo único. Nuestra esperanza aquí es que evalúemos para encontrar algunos productos químicos únicos y crear una empresa para desarrollar inhibidores para esta enzima».
Este objetivo es uno de una familia de enzimas llamadas polisacáridos monooxigenasas (PMO) que Marletta y sus colegas de UC Berkeley descubrieron hace poco más de 10 años en otro hongo más extendido, Neurospora. Los polisacáridos son polímeros de azúcar que incluyen almidón y las fibras resistentes que hacen que las plantas sean resistentes, incluidas la celulosa y la lignina. La enzima PMO rompe la celulosa en pedazos más pequeños, lo que hace que el polisacárido sea susceptible a otras enzimas, como las celulasas, y acelera la descomposición de las fibras vegetales.
«Existe una necesidad urgente de estrategias de control más sostenibles para el añublo del arroz, particularmente en el sur de Asia y el África subsahariana», dijo Nicholas Talbot, colega y coautor de Marletta, experto en enfermedades de las plantas y director ejecutivo de The Sainsbury. Laboratorio en Norwich en el Reino Unido. «Dada la importancia del polisacárido monooxigenasa para la infección de las plantas, puede ser un objetivo valioso para el desarrollo de nuevas sustancias químicas que podrían aplicarse en dosis mucho más bajas que los fungicidas existentes y con un impacto ambiental potencial menor. También podría ser un objetivo para productos completamente químicos. enfoques libres, también, como el silenciamiento de genes».
Marletta y los estudiantes de doctorado de UC Berkeley, Will Beeson y Chris Phillips, estaban inicialmente interesados en estas enzimas porque degradan la celulosa vegetal mucho más rápido que otras enzimas descritas anteriormente y, por lo tanto, tenían potencial para convertir la biomasa en polímeros de azúcar que se pueden fermentar más fácilmente en biocombustibles. . Los hongos usan PMO para proporcionar una fuente de alimento.
Él y sus colegas de UC Berkeley posteriormente encontraron indicios de que algunas PMO fúngicas pueden hacer más que simplemente convertir la celulosa en alimento. Estos PMO se activaron en las primeras etapas de la infección, lo que implica que son importantes en el proceso de infección en lugar de proporcionar alimentos.
Eso es lo que encontraron Marletta, Talbot y sus colegas. Dirigidos por la becaria postdoctoral Alejandra Martinez-D’Alto, los científicos de UC Berkeley caracterizaron bioquímicamente esta PMO única, llamada MoPMO9A, mientras que Talbot y la becaria postdoctoral de UC Berkeley, Xia Yan, demostraron que la eliminación de la enzima reducía la infección en las plantas de arroz.
Marletta y sus colegas de UC Berkeley han encontrado PMO similares en hongos que atacan las uvas, los tomates, la lechuga y otros cultivos importantes, lo que significa que los nuevos hallazgos pueden tener una amplia aplicación contra las enfermedades fúngicas de las plantas.
«Los inhibidores de moléculas pequeñas no solo podrían usarse contra el arroz. Podrían usarse ampliamente contra una variedad de diferentes patógenos de cultivos», dijo Marletta. «Creo que el futuro de esto, en términos de desarrollo de fármacos para patógenos de plantas , es bastante emocionante, por lo que vamos a buscar la ciencia fundamental, como siempre lo hacemos, y trataremos de juntar las piezas para girarlo. fuera como empresa».
Los biocombustibles lideran el camino para atacar patógenos fúngicos
Marletta se especializa en identificar y estudiar enzimas nuevas e inusuales en células humanas. Pero hace 10 años, cuando la gente se entusiasmó con los biocombustibles como una forma de abordar el cambio climático, el Instituto de Biociencias Energéticas de UC Berkeley le otorgó una subvención para buscar enzimas en otras formas de vida que digirieran la celulosa vegetal más rápido que las enzimas conocidas en ese momento. . El objetivo era convertir fibras de celulosa resistentes en polisacáridos de cadena corta que la levadura pudiera fermentar en combustible.
«Le dije a dos de mis estudiantes de posgrado de primer año, Chris Phillips y Will Beeson: ‘Saben, tiene que haber organismos que comen celulosa rápido'», dijo Marletta. «Esos son los que queremos encontrar, porque conocemos las enzimas que lo comen lentamente, y no son particularmente útiles en el sentido biotecnológico porque son lentos».
Phillips y Beeson lograron encontrar enzimas de acción rápida en un hongo común, Neurospora, que se encuentra entre los primeros hongos en atacar árboles muertos después de un incendio y hace un trabajo rápido al digerir la madera en busca de nutrientes. Aislaron la enzima responsable, la primera PMO conocida, y describieron cómo funcionaba. Desde entonces, los estudiantes de Marletta han identificado 16 000 variedades de PMO, la mayoría en hongos, pero algunas en bacterias que se alimentan de madera. Hasta la fecha, estos han tenido cierto éxito en acelerar la producción de biocombustibles como parte de un cóctel de otras enzimas, aunque no han hecho que los biocombustibles sean competitivos con otros combustibles.
Pero Marletta estaba intrigada por un pequeño subconjunto de estas 16 000 variedades que parecían hacer más que proporcionar nutrición a los hongos. MoPMO9A, en particular, tenía un segmento de aminoácidos que se une a la quitina, un polisacárido que forma la capa exterior de los hongos, pero que no se encuentra en el arroz. Y aunque todos los PMO son secretados, MoPMO9A fue secretado durante el ciclo infeccioso del hongo.
Posteriormente, los estudios demostraron que Magnaporthe concentra MoPMO9A en una célula de infección presurizada, llamada apresorio, desde donde se secreta a la planta, con una porción de la enzima uniéndose al exterior del hongo. El otro extremo de la enzima tiene un átomo de cobre incrustado en su centro. Cuando el hongo golpea el extremo suelto de la enzima sobre la hoja de arroz, el átomo de cobre cataliza una reacción con el oxígeno para romper las fibras de celulosa, lo que ayuda al hongo a romper la superficie de la hoja e invadir toda la hoja.
«Teníamos curiosidad: ‘Oye, ¿por qué esta enzima tiene un dominio de unión a quitina si se supone que funciona en la celulosa ?'», dijo Marletta. «Y fue entonces cuando pensamos: ‘Bueno, tal vez esté secretado, pero se adhiere al hongo’. De esa manera, cuando el hongo está asentado en la planta, puede tener entre él y la hoja el dominio catalítico para perforar el agujero en la hoja'».
Ese resultó ser el caso. Marletta y Talbot ahora están probando otros patógenos que producen PMO para ver si usan el mismo truco para ingresar e infectar las hojas. Si es así, Marletta confía en que lo harán, también abre vías para atacarlos con un fungicida en aerosol.
«El único lugar donde se encuentran PMO como este es en los patógenos de las plantas que tienen que acceder a su huésped. Por lo tanto, es casi seguro que funcionarán de la misma manera», dijo Marletta. «Creo que el alcance del trabajo para desarrollar inhibidores de este PMO en particular irá mucho más allá del arroz, aunque eso en sí mismo es bastante importante. Podremos usarlos en otras plantas de cultivo importantes».
Más información: Martinez-D’Alto, Alejandra et al, Caracterización de una polisacárido monooxigenasa única del patógeno vegetal Magnaporthe oryzae, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2023). DOI: 10.1073/pnas.2215426120 . doi.org/10.1073/pnas.2215426120
