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El patógeno vegetal evade el sistema inmunológico al atacar el microbioma


Un equipo de biólogos ha identificado que el hongo patógeno Verticillium dahliae, responsable de la enfermedad del marchitamiento en muchos cultivos, secreta una molécula ‘efectora’ para atacar el microbioma de las plantas y promover la infección. 


por la Universidad de Colonia


La investigación fue realizada por el equipo del profesor Alexander von Humboldt Dr. Bart Thomma de la Universidad de Colonia (UoC) en el marco del Clúster de Excelencia en Ciencias Vegetales (CEPLAS) en colaboración con el equipo del Dr. Michael Seidl en el Grupo de Biología Teórica y Bioinformática de la Universidad de Utrecht en Holanda. El estudio «Una proteína antimicrobiana antigua cooptada por un patógeno vegetal fúngico para la manipulación del micobioma in planta» ha aparecido en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias ( PNAS).

Los científicos reconocen cada vez más que el microbioma de un organismo, la totalidad de bacterias y otros microbios que viven en él y sobre él, es un componente importante de su salud. Tanto para los seres humanos como para otros animales, los microbios particulares que habitan el intestino y la piel tienen efectos beneficiosos. Esto es igualmente cierto para las plantas . Además, se ha establecido que las plantas pueden «reclutar» microbios beneficiosos de su entorno, por ejemplo del suelo que rodea las raíces, para ayudarlas a resistir las enfermedades.

En la UoC, junto con el Dr. Nick Snelders, autor principal del estudio, el Dr. Thomma planteó la hipótesis de que si las plantas pueden hacer esto, tal vez algunos patógenos hayan ‘aprendido’ a perturbar este ‘grito de ayuda’ y a perturbar el microbioma de la planta para promover invasión. Por lo tanto, además de la supresión directa de las respuestas inmunitarias de la planta huésped, estos patógenos pueden suprimir la inmunidad indirectamente al afectar el microbioma sano de la planta.

Verticillium dahliae es un patógeno conocido de muchas plantas, incluidos cultivos de invernadero como tomates y lechugas, pero también olivos, árboles y flores ornamentales, algodón, patatas y otros. El estudio actual muestra que el hongo secreta la proteína antimicrobiana VdAMP3 para manipular el microbioma de la planta como efector.

Generalmente, las moléculas efectoras se dirigen a componentes del sistema inmunológico del huésped, lo que lleva a la supresión inmunitaria. Los autores han demostrado ahora que estos objetivos se extienden a los habitantes del microbioma del huésped: durante la colonización del huésped, la molécula VdAMP3 suprime los organismos beneficiosos en el microbioma de la planta, lo que provoca una alteración del microbioma o ‘disbiosis’, de modo que el hongo puede completar su vida. ciclo y producir progenie que puede diseminarse y comenzar nuevas infecciones.

«En términos de evolución, la molécula que se secreta es muy antigua. Los homólogos también ocurren en organismos que no son patógenos en las plantas», dijo Thomma. «Parece que Verticillium» usó «la molécula para» explotarla «durante el proceso de desarrollo de la enfermedad en el huésped. Curiosamente, la molécula no actúa como un antibiótico de amplio espectro dirigido a ningún microbio, sino específicamente a los hongos» competidores «. que tienen habilidades para obstaculizar Verticillium «.

El patógeno vegetal evade el sistema inmunológico al atacar el microbioma
El efector VdAMP3 de V. dahliae evolucionó a partir de una antigua proteína fúngica. (A) Se predice que VdAMP3 (izquierda) adoptará un pliegue similar a defensina de CSαβ. Se incluye como referencia la estructura de la plectasina defensina CSαβ (Derecha) del hongo P. nigrella. Los enlaces disulfuro que estabilizan las láminas β antiparalelas y la hélice α están resaltados en amarillo. Los residuos de aminoácidos cargados positiva y negativamente se resaltan en azul y rojo, respectivamente. (B) La alineación de la secuencia de proteínas con las defensinas CSαβ plectasina y eurocina (E. amstelodami) apoya la predicción de la estructura de VdAMP3. (C) Los homólogos de VdAMP3 están muy extendidos en el reino fúngico. Alineación de la secuencia de proteínas de VdAMP3 con un subconjunto de sus homólogos identificados en hongos superiores (Ascomycota y Basidiomycota) e inferiores (Mucoromycotina y Zoopagomycota). La alineación como se muestra en B y C muestra la región más conservada de la familia de proteínas de defensina CSαβ y se realizó usando HMMER y se visualizó con Espript3. Los residuos de cisteína y glicina altamente conservados que contribuyen a la estructura de defensina CSαβ están resaltados por fondos amarillos y rojos, respectivamente. Los números en la parte superior de la alineación indican los números de residuos correspondientes de VdAMP3. Los homólogos mostrados en C se identificaron usando blastP en los proteomas predichos de los respectivos hongos incluidos en el Proyecto JGI 1000 Fungal Genomes. Crédito: Universidad de Colonia Los residuos de cisteína y glicina altamente conservados que contribuyen a la estructura de defensina CSαβ están resaltados por fondos amarillos y rojos, respectivamente. Los números en la parte superior de la alineación indican los números de residuos correspondientes de VdAMP3. Los homólogos mostrados en C se identificaron usando blastP en los proteomas predichos de los respectivos hongos incluidos en el Proyecto JGI 1000 Fungal Genomes. Crédito: Universidad de Colonia Los residuos de cisteína y glicina altamente conservados que contribuyen a la estructura de defensina CSαβ están resaltados por fondos amarillos y rojos, respectivamente. Los números en la parte superior de la alineación indican los números de residuos correspondientes de VdAMP3. Los homólogos mostrados en C se identificaron usando blastP en los proteomas predichos de los respectivos hongos incluidos en el Proyecto JGI 1000 Fungal Genomes. Crédito: Universidad de Colonia

Inicialmente, los investigadores querían averiguar si Verticilium tenía ‘efectores’ en su arsenal que tuvieran actividad antimicrobiana. Luego, se probaron diferentes candidatos para determinar su capacidad para inhibir el crecimiento de microbios de prueba en el laboratorio. VdAMP3 fue uno de estos candidatos potenciales. Luego, los experimentos de seguimiento mostraron que sin el ‘efector’, otros hongos (antagonistas) podrían prosperar y suprimir la formación de estructuras de reproducción de Verticillium. VdAMP3 es principalmente activo en las etapas posteriores del desarrollo de la enfermedad, cuando Verticillium necesita producir estas nuevas estructuras de reproducción para inician infecciones de nuevos huéspedes.Sin embargo, esta no es la primera molécula de este tipo que los científicos han identificado: hace un año, encontraron una molécula que no actúa contra hongos competidores, como VdAMP3, sino contra competidores bacterianos.

«Juntos, estos hallazgos demuestran que los patógenos usan varias moléculas en varias etapas del proceso de la enfermedad para manipular el microbioma sano de un huésped y causar la enfermedad. Esto muestra que es importante mirar más allá de la» interacción binaria «entre un patógeno y un huésped. si queremos entender la enfermedad. Más bien, debemos tener en cuenta también todo el microbioma del huésped, mirando al huésped como un «holobionte»: la unidad ecológica formada por el huésped y todos los organismos que viven en él y sobre él, «Añadió Thomma.

A largo plazo, una mejor comprensión de estos mecanismos ayudará a desarrollar plantas más resistentes y mejores estrategias para la protección de cultivos. Frente a una población mundial en crecimiento, tierras agrícolas limitadas y la necesidad de reducir el impacto ambiental y la contaminación, uno de los principales objetivos de los científicos de plantas es aumentar el rendimiento de los cultivos de campo y minimizar nuestra huella ecológica en el medio ambiente. «Aprender más sobre estas moléculas efectoras que ayudan a los hongos patógenos a infectar las plantas de cultivo puede conducir a nuevas formas de protegerse contra ellas», dijo Snelders.

En estudios futuros, los autores tienen como objetivo encontrar más proteínas efectoras con actividad antimicrobiana selectiva, de Verticillium, pero también de otros patógenos que tienen otras estrategias de infección. «Desentrañar cómo funcionan estas moléculas y cómo pueden inhibir un microbio sin afectar al otro es importante para descubrir nuevos mecanismos para atacar a los microbios, que en última instancia pueden incluso conducir al desarrollo de nuevos antibióticos», concluyó Snelders.

El Clúster de Excelencia en Ciencias Vegetales (CEPLAS) es una iniciativa conjunta de la Universidad Heinrich Heine de Düsseldorf (HHU), la Universidad de Colonia (UoC), el Instituto Max Planck para la Investigación en Fitomejoramiento de Colonia (MPIPZ) y Forschungszentrum Jülich (FZJ). . En CEPLAS, los científicos están desarrollando estrategias innovadoras para la producción vegetal sostenible. Con una generosa financiación de la fundación Alexander von Humboldt a través de una cátedra Alexander von Humboldt, el grupo de trabajo recientemente reubicado de Thomma de la Universidad de Wageningen en los Países Bajos a la UoC se centra en identificar los mecanismos que subyacen a la patogenicidad de los hongos en plantas hospedantes.

El grupo de Biología Teórica y Bioinformática de la Universidad de Utrecht, Países Bajos, utiliza biología computacional, bioinformática, modelado y big data para abordar cuestiones fundamentales y aplicadas en las ciencias de la vida. El grupo de Genómica Evolutiva de Hongos del Dr. Seidl se enfoca en la evolución y función del genoma para comprender cómo los hongos evolucionan y se adaptan a entornos nuevos o alterados, tanto en escalas de tiempo evolutivas cortas como largas.



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