Cuando las plantas son atacadas por bacterias, virus u hongos invasores, organizan una respuesta doble: producen sustancias químicas ofensivas para matar a los invasores y sustancias químicas defensivas para evitar que se propaguen las infestaciones.
por Tom Abate, Universidad de Stanford
Ahora, los científicos de Stanford han utilizado un tipo de vacuna química para activar este sistema de defensa de la planta y evitar que infecciones localizadas se conviertan en contagios, un posible primer paso para ayudar a las cosechas a protegerse de las infecciones.
En un informe publicado en Science Signaling , un equipo dirigido por la bióloga vegetal Mary Beth Mudgett y la ingeniera química Elizabeth Sattely describen cómo salvaron plantas de tomate y pimiento de la mancha bacteriana, el nombre común de una infestación bacteriana que puede propagarse de hoja a hoja. hoja, volviéndolas amarillas y finalmente matando las plantas.
Lo lograron tratando las hojas no infectadas con una sustancia química recién descubierta y de origen natural llamada ácido N-hidroxipipecólico, conocido como NHP. Este agente químico, a su vez, desencadenó una serie de respuestas químicas que hicieron que las hojas no infectadas fueran menos hospitalarias para los patógenos que intentaban invadirlas.
Descubrimiento reciente
“No fue hasta el año pasado que nuestro equipo y otro grupo descubrieron cómo el NHP activaba este sistema defensivo en las plantas en el laboratorio”, dijo Mudgett, profesor de biología. “Esta vez creamos NHP y demostramos que podíamos usarlo como inoculante para activar este mecanismo de defensa también en las plantas de cultivo “.
Sattely, profesor asociado de ingeniería química, dijo que los hallazgos tienen importancia más allá de los tomates y los pimientos. El equipo analizó los genomas de más de 50 plantas, incluidos maíz y soja. Muchas de estas especies tienen la maquinaria genética para producir al menos pequeñas cantidades de NHP, lo que sugiere que también pueden tener el potencial de crear escudos químicos de autoprotección. Ahora, después de haber demostrado que una dosis adicional de NHP desencadenó este sistema de autodefensa en tomates y pimientos, cree que podría ser posible insertar los genes de NHP en plantas comerciales para estimular sus defensas naturales.
“Hacia allí nos dirigimos, pero primero necesitamos entender más sobre la biología”, dijo Sattely. “La naturaleza se trata de compensaciones. Si diseñamos una planta para dedicar más energía a la defensa, ¿cómo afectaría eso al crecimiento? Hasta ahora no lo sabemos”.
protección natural
Este estudio es una continuación de una fructífera colaboración entre Mudgett y Sattely que comenzó después de que el estudiante graduado Jakub Rajniak en el laboratorio de Sattely descubriera NHP en plantas de laboratorio. Yun-Chu Chen, un académico postdoctoral en el laboratorio de Mudgett, y Eric Holmes, un estudiante de posgrado que trabaja con Sattely, descubrieron que NHP activa un sistema conocido como resistencia sistémica adquirida, o SAR, que crea un escudo de defensa química para proteger los tejidos no infectados. Los científicos conocían previamente ese sistema de defensa, pero no sabían qué lo activaba.
Los nuevos estudios en tomates y pimientos intentaron determinar si el NHP también desencadenaba la respuesta de resistencia adquirida en estas plantas. Para averiguarlo, Chen y Holmes administraron NHP en el envés de hojas de tomate y pimiento. Luego infectaron las hojas con la bacteria que causa la mancha bacteriana. Todas las plantas tratadas permanecieron libres de síntomas de la enfermedad, lo que sugiere que el NHP había activado la resistencia en todos los tejidos de la planta. Las plantas a las que se les aplicó agua en las hojas en lugar de NHP sucumbieron a la infección.
Luego, Chen y Holmes quisieron descubrir si podían diseñar la producción de NHP en tomates y si ese NHP interno también activaría la resistencia. Para averiguarlo, introdujeron los genes necesarios para producir NHP en plantas de tomate. Las células dentro de esas plantas comenzaron a producir NHP, que activó sus defensas SAR e impidió el desarrollo de motas bacterianas.
Con el tiempo, a los investigadores les gustaría insertar los dos genes productores de NHP en las semillas de cultivos alimentarios y cultivar plantas de prueba en invernaderos de laboratorio para saber si pueden aumentar las defensas SAR en toda la planta y ver cómo esto afectaría la fisiología general de una planta.
“Queremos mejorar las defensas naturales de las plantas mediante ingeniería genética“, afirmó Sattely.
Mudgett cree que aumentar la producción de NHP podría utilizarse para ayudar a los cultivos a defenderse contra agentes infecciosos inesperados. A diferencia de las vacunas humanas, que protegen contra un patógeno específico, como la tos ferina o la gripe, una vez que el NHP activa la defensa SAR, el escudo químico resultante parece desviar una amplia gama de patógenos. Este compuesto vegetal natural combinado con otros rasgos de resistencia a enfermedades en los cultivos podría ser una forma prometedora de prevenir múltiples brotes de patógenos, dijo Mudgett.
“Hoy desarrollamos cultivos para resistir una enfermedad específica y cuando el patógeno muta y supera el rasgo de resistencia, comenzamos de nuevo”, afirmó. “Esta puede ser una manera de defenderse contra muchas amenazas al mismo tiempo”.
Más información: Eric C. Holmes et al. Una vía diseñada para la síntesis de ácido N-hidroxi-pipecólico mejora la resistencia sistémica adquirida en el tomate, Science Signaling (2019). DOI: 10.1126/scisignal.aay3066
