Un equipo de investigadores de la Universidad de Toronto ha probado con éxito una nueva estrategia para identificar recursos genéticos críticos para la batalla en curso contra patógenos vegetales como bacterias, hongos y virus que infectan y destruyen cultivos alimentarios en todo el mundo.
“Hasta el 40 por ciento del rendimiento mundial de los cultivos se pierde anualmente debido a plagas y patógenos como bacterias, virus y otros microorganismos que causan enfermedades”, dijo David Guttman, profesor del Departamento de Biología Celular y de Sistemas (CSB) de la Universidad de Toronto y coautor de un estudio publicado en Science . “En Canadá, los patógenos de los cinco principales cultivos causan pérdidas anuales de aproximadamente 3.200 millones de dólares canadienses, incluso sin brotes significativos”.
Al centrarse en el arsenal casi ilimitado de genes asociados a enfermedades disponibles para los patógenos y las defensas disponibles para las plantas, no sólo descubrieron nuevos conocimientos sobre las formas en que las plantas sobreviven a los ataques implacables, sino que desarrollaron un plan que algún día podría usarse para proteger la salud de cualquier especie cultivada para la producción de alimentos.
“Queríamos saber cómo las plantas relativamente longevas se defienden contra patógenos que causan enfermedades que evolucionan muy rápidamente, por qué las enfermedades son tan poco comunes incluso cuando las plantas están bajo el ataque continuo de estos patógenos tan diversos, y por qué las especies de cultivos domesticados son mucho más susceptibles. a los ataques de patógenos que las especies silvestres “, afirmó Guttman.
Guttman y su colega profesor del CSB Darrell Desveaux, quien codirigió el estudio, abordaron estas preguntas preguntando específicamente cómo una sola planta es capaz de combatir los ataques de un patógeno bacteriano común en los cultivos. Lo hicieron caracterizando primero la diversidad global de una clase importante de proteínas patógenas, llamadas efectoras.
“Los efectores desempeñan un papel clave en las enfermedades, ya que evolucionaron para mejorar la capacidad de los patógenos para atacar e infectar a sus huéspedes. Afortunadamente, las plantas han desarrollado contradefensas en forma de receptores inmunes que pueden reconocer ciertos efectores”, dijo Desveaux. “Una planta es capaz de generar una respuesta inmune ‘activada por un efector’ que generalmente detiene la infección, si lleva un receptor inmunológico específico que reconoce un efector patógeno específico. Esta interacción efector-receptor se ha llamado resistencia gen por gen, y es la base de casi todos los cultivos de resistencia agrícola”.
El equipo comenzó secuenciando los genomas de aproximadamente 500 cepas de la bacteria Pseudomonas syringae ( P. syringae ), que causa enfermedades en casi todas las principales especies de cultivos.
“A partir de estos genomas bacterianos identificamos aproximadamente 15.000 efectores de 70 familias distintas”, dijo Guttman. “Luego redujimos esta complejidad identificando 530 efectores que representan su diversidad global”.
A continuación, los investigadores sintetizaron todos estos efectores representativos y los colocaron en una cepa particularmente dañina de P. syringae que causa enfermedades al infectar la planta Arabidopsis thaliana (A. thaliana), una maleza común ampliamente utilizada en estudios de biología vegetal. Al realizar infecciones con cada efector individual, vieron cuántos de los 530 efectores provocaban una respuesta inmune desencadenada por efectores que protegía a la planta.
Los resultados fueron inesperados.
“Encontramos que más del 11% de los efectores provocaban una respuesta inmune, y que casi el 97% de todas las cepas de P. syringae portan al menos un efector que provoca la inmunidad”, dijo Desveaux. “También identificamos nuevos receptores inmunes de plantas que reconocen estos efectores y descubrimos que casi el 95% de todas las cepas de P. syringae pueden bloquearse con solo dos receptores inmunes de A. thaliana”.
Los resultados arrojan nueva luz sobre cómo las plantas sobreviven al implacable ataque de patógenos. También proporcionan un enfoque nuevo e interesante para identificar nuevos receptores inmunes de plantas, que es un recurso genético escaso en el mejoramiento agrícola.
“Si bien las especies de plantas silvestres tienen una amplia gama de receptores inmunológicos, la mayoría de las especies de cultivos domesticados han perdido gran parte de esta inmunodiversidad debido a una selección artificial intensiva”, dijo Guttman. “Nuestro enfoque permite la identificación rápida de nuevos receptores inmunes en parientes silvestres de cultivos que luego pueden trasladarse a líneas agrícolas de élite mediante el mejoramiento tradicional, creando en última instancia nuevas variedades con mayor capacidad para resistir patógenos agrícolas “.
Más información: Bradley Laflamme et al, El panorama de inmunidad desencadenado por efectores pangenómicos de una interacción huésped-patógeno, Science (2020). DOI: 10.1126/ciencia.aax4079
