Los nuevos datos sobre las quitinasas (enzimas que se encuentran naturalmente en las plantas) podrían permitir a los agricultores combatir las infecciones fúngicas de manera más rápida y efectiva al reducir el uso de fungicidas, y un sensor de quitinasa que se está desarrollando permitirá el diagnóstico temprano de enfermedades.
Las quitinasas son enzimas hidrolíticas que degradan la quitina, un homopolímero de cadena lineal de unidades de N-acetil-D-glucosamina (GlcNAc) con enlaces β-1,4 que se encuentran en los exoesqueletos de los artrópodos y en las paredes celulares de algunos hongos.
Al descomponer la quitina, las quitinasas inhiben el crecimiento de hongos y liberan nutrientes esenciales que las plantas pueden utilizar para su crecimiento y desarrollo. Las quitinasas son expresadas por una variedad de organismos, incluidos hongos, bacterias, arqueas, virus, animales y plantas. Se clasifican en las familias GH18, GH19 y GH20 según la base de datos CAZy. Las quitinasas GH18 se distribuyen ampliamente en eucariotas y procariotas, mientras que las quitinasas GH19 se encuentran principalmente en plantas.
Los científicos del Laboratorio Nacional Ames del Departamento de Energía de EE. UU. estudiaron las quitinasas del maíz y el arroz para comprender mejor su papel a la hora de determinar si una planta está bajo estrés y combatir los ataques de hongos patógenos. Sus hallazgos sugieren que estas enzimas pueden ser un recurso valioso en la defensa de las plantas, dijo el Laboratorio Nacional Ames en un comunicado.
El maíz y el arroz son cultivos agrícolas importantes. Además de proporcionar alimentos, ambos tienen importantes usos energéticos, incluida la biomasa sobrante de la cosecha. El maíz se considera el principal cultivo para biocombustibles, mientras que la cáscara de arroz se utiliza para calefacción y también como biocombustible.
Al mismo tiempo, las amenazas graves para el cultivo provienen de patógenos como hongos, bacterias y virus. Los hongos por sí solos causan entre un 35% y un 40% de pérdida de rendimiento en el maíz y el arroz cada año.
“Hay mucho interés en las quitinasas en el mundo vegetal debido a su ubicuidad y su participación en la protección de las plantas contra ataques de hongos”, explicó Marit Nielsen-Hamilton, científica del Laboratorio Ames y líder del grupo de investigación que trabaja con quitinasas en defensa vegetal.
Gran parte del trabajo del equipo se centra principalmente en la rizosfera, la estrecha zona de suelo alrededor de las raíces de las plantas donde se produce una intensa actividad microbiana. Las raíces del suelo secretan una variedad de sustancias, incluidos azúcares y quitinasas, así como polímeros que lo mantienen todo unido. Las bacterias del suelo también contribuyen a estas secreciones y los polímeros que secretan forman una película muy fina sobre las raíces de las plantas.
“En la rizosfera, las plantas secretan azúcar para atraer bacterias porque quieren que esas rizobacterias estén cerca para ayudarlas. Las plantas alimentan a las bacterias y las bacterias alimentan y protegen a las plantas. Sin embargo, existen estas infecciones fúngicas y, cuando las plantas están estresadas, liberan ciertas quitinasas”, dice Nielsen-Hamilton.
Su equipo seleccionó quitinasas específicas recomendadas por la bioquímica vegetal Olga Zabotina de la Universidad Estatal de Iowa, que son liberadas por las plantas en respuesta al ataque de hongos. El primer paso fue obtener una comprensión profunda de las características funcionales y moleculares de las enzimas.
“Con las quitinasas en general se ha hecho muy poco en términos de purificación y caracterización. Entonces mi estudiante de posgrado, Samuel Shobeid, se propuso caracterizarlos”, explicó Nielsen-Hamilton.
El equipo quería saber si estas quitinasas eran un buen indicador del estrés fúngico en las plantas y si podían matar los hongos. Descubrieron que una de las quitinasas era eficaz para matar el hongo Aspergillus niger , que puede provocar moho negro en varios cultivos.
Además de caracterizar las quitinasas, el equipo también quería ver si alguna de ellas sería un buen receptor para los aptámeros. “Los aptámeros son ácidos nucleicos que se comportan como anticuerpos, pero no se necesita un animal para crearlos. Básicamente, se crean in vitro”, explica Nielsen-Hamilton.
Los aptámeros se pueden usar para detectar quitinasas y potencialmente podrían usarse para activar ciertas quitinasas que se secretan en respuesta a infecciones fúngicas. La quitinasa del arroz ha demostrado ser un objetivo pobre para los aptámeros porque tanto la enzima como la proteína aptámera están cargadas negativamente, por lo que se repelen entre sí. Sin embargo, la quitinasa del maíz resultó ser un buen receptor para el aptámero.
Al final, los investigadores decidieron adoptar una estrategia de utilizar aptámeros de ácido nucleico para detectar enfermedades fúngicas de forma temprana, antes de que sea demasiado tarde para que la planta sobreviva.
“Nuestro co-ingeniero Pranav Shrotriya ha desarrollado una forma de utilizar aptámeros de ácido nucleico para detectar moléculas utilizando lo que se llama un dispositivo electroquímico. Y la sonda puede hacerse tan pequeña que pueda colocarse en el suelo. Esto nos da la capacidad de detectar en el suelo qué están produciendo las raíces de las plantas, las bacterias, etc.”, dijo Nielsen-Hamilton.
La caracterización de estas quitinasas ha sido una contribución importante a los esfuerzos por descubrir estas proteínas secretadas por las plantas. Detectarlos temprano puede permitir a los agricultores intervenir rápidamente cuando la infección sea más fácil de eliminar. Comprender las quitinasas también podría conducir a tratamientos más específicos que aplicar un fungicida general o intervenir cuando las plantas ya están gravemente dañadas.
Los resultados podrían tener un impacto económico no sólo en los cultivos tradicionales y su biomasa residual para la producción de energía, sino también en los cultivos energéticos especializados, aquellos que se cultivan específicamente para crear biomasa para combustible.
El trabajo fue publicado en la revista Frontiers in Plant Science.
Fuente: Laboratorio Nacional Ames. El gráfico muestra representaciones visuales de la superficie de quitinasa y las estructuras secundarias. Gráfico: Departamento de Energía de EE. UU., Laboratorio Nacional Ames.
