Agricultura Botánica y Genética Estados Unidos

Los investigadores examinan cómo algunas bacterias encuentran formas de evitar las defensas inmunes de las plantas


A medida que el mundo lucha con la pandemia de coronavirus (COVID-19), que surgió después de que el virus saltó de una especie animal a la especie humana, los investigadores de la Universidad de Delaware están aprendiendo sobre nuevas formas en que otros patógenos saltan de las plantas a las personas.


por Beth Miller, Universidad de Delaware


Las bacterias oportunistas —salmonella, listeria y E. coli, por ejemplo— a menudo se aprovechan de vegetales crudos, aves de corral, carne de res y otros alimentos para ingresar a un huésped humano , causando millones de enfermedades transmitidas por alimentos cada año.

Pero los investigadores de la Universidad de Delaware Harsh Bais y Kali Kniel y sus colaboradores ahora han descubierto que las cepas salvajes de salmonella pueden eludir el sistema de defensa inmune de una planta, entrando en las hojas de la lechuga al abrir los pequeños poros respiratorios de la planta llamados estomas.

La planta no muestra síntomas de esta invasión y una vez dentro de la planta, los patógenos no se pueden lavar.

Los estomas son pequeñas aberturas en forma de riñón en las hojas que se abren y cierran naturalmente y están reguladas por el ritmo circadiano. Se abren para permitir que la planta se enfríe y respire. Se cierran cuando detectan amenazas de sequía o patógenos bacterianos de plantas.

Algunos patógenos pueden irrumpir en un estomate cerrado usando la fuerza bruta, dijo Bais. Los hongos pueden hacer eso, por ejemplo. Las bacterias no tienen las enzimas necesarias para hacer eso, por lo que buscan aberturas, en las raíces o a través de los estomas, dijo.

Los patógenos bacterianos de las plantas han encontrado una manera de reabrir esos estomas cerrados y obtener acceso al funcionamiento interno de la planta, dijo Bais.

Pero ahora, en una investigación publicada por Frontiers in Microbiology , Bais y Kniel han demostrado que algunas cepas de la salmonella patógena humana también han desarrollado una forma de reabrir estomas cerrados.

«Lo nuevo es cómo las bacterias no huésped están evolucionando para evitar la respuesta inmune de la planta», dijo Bais. «Son verdaderos oportunistas. Son reinos absolutamente saltadores … Cuando vemos estas interacciones inusuales, ahí es donde comienza a complicarse».

Las oportunidades para los patógenos surgen a medida que las plantas se crían para aumentar el rendimiento, a menudo a expensas de sus propios sistemas de defensa. Otras oportunidades surgen cuando un productor siembra cultivos bajos demasiado cerca de un campo de ganado, lo que facilita la contaminación.

Juntos y por separado, Bais y Kniel y sus colaboradores han estado analizando este problema de la planta desde varios ángulos durante aproximadamente cinco años.

  • Están analizando los métodos del «caballo de Troya» que utilizan bacterias como la salmonella para eludir el sistema inmunitario de las plantas y encontrar su camino hacia nuevos huéspedes humanos.
  • Están estudiando una variedad de métodos de irrigación que pueden transportar bacterias desde las vías fluviales, estanques y agua recuperada a los sistemas superficiales y radiculares de las plantas.
  • Están observando los componentes genéticos que permiten que los patógenos persistan y sobrevivan a lo largo de su paso hacia un nuevo huésped.

Bais y Kniel han publicado múltiples artículos sobre estas amenazas al suministro mundial de alimentos y han desarrollado recomendaciones para aumentar las defensas de las plantas.

El equipo de Bais, por ejemplo, desarrolló y patentó un microbio beneficioso, UD1022, para proteger y fortalecer los sistemas de raíces de las plantas. Ese microbio ha sido autorizado por BASF y está incorporado en una variedad creciente de aplicaciones. Las pruebas realizadas como parte de su nueva publicación mostraron que las raíces inoculadas con UD1022, a través del riego y el riego, podrían proporcionar protección contra estas bacterias oportunistas.

Kniel dijo que se sorprendió al ver que UD1022 evitó que algunos mutantes ingresaran a la planta.

«Hay mucha esperanza para los biocontroles», dijo.

El equipo de Kniel y sus colaboradores del Departamento de Agricultura de los EE. UU. Y varias otras universidades de la región del Atlántico Medio, recientemente publicaron nuevos hallazgos en PLOS One que analizan el contenido patogénico de los métodos de riego que se extraen de vías fluviales, estanques y agua recuperada.

Esos son los peligros previos a la cosecha. Los peligros posteriores a la cosecha provienen más de las prácticas de higiene de los trabajadores en las cintas transportadoras que llevan estos productos al mercado.

Muchas compañías ejecutan vegetales de hojas verdes a través del agua tratada con desinfectantes apropiados y pueden considerar el tratamiento con ozono o ultravioleta para tratar las bacterias de la superficie. No pueden ver ni tratar los patógenos humanos que ya se han introducido en la hoja.

«La industria alimentaria trabaja incansablemente para hacer que el producto sea lo más seguro posible», dijo Kniel. «Pero incluso entonces, estamos cultivando estos productos en el exterior, por lo que son accesibles para la vida silvestre, el viento, el polvo y el agua que pueden transmitir microorganismos. Es una situación difícil».

Nicholas Johnson, un estudiante graduado en el laboratorio de Bais, hizo un trabajo minucioso para examinar cómo los estomas en las espinacas y las lechugas respondieron a las aplicaciones de salmonella, Listeria y E. coli, tres patógenos humanos que no dejan huellas digitales aparentes, no hay forma de ver que tienen infectado una planta. Registró el tamaño de las aberturas de estomates —llamado apertura— para cientos de estomas en cada hoja de muestra.

Contó estos tamaños cada tres horas después de que se aplicaron las bacterias.

«Tuvo que sentarse bajo un microscopio y contar los tamaños de apertura», dijo Bais. «Y tiene que ser meticuloso».

Encontró algunos resultados preocupantes. La cepa de salmonella estaba reabriendo los estomas.

«Ahora tenemos un patógeno humano tratando de hacer lo que hacen los patógenos de las plantas», dijo Bais. «Eso da miedo.»

Sería especialmente aterrador, dijo Bais, si ocurriera en una granja «vertical», donde las plantas se cultivan en hileras verticales hidropónicamente.

«Estos son sistemas maravillosos», dijo Kniel. «Pero debe haber mucho cuidado dentro del sistema para controlar el agua y las interacciones con las personas. Tiene que haber mucho lavado de manos. Trabajo con muchos productores para asegurarme de que tengan descansos ‘limpios’ y estén desinfectando correctamente. Cuando haces eso, tienes menos productos para recordar «.

Pero los peligros son reales.

«La industria está trabajando duro en esto», dijo Kniel. «Son algunas de las personas más apasionadas y dedicadas que he conocido. Pero los brotes ocurren».

Bais dijo: «Y si esto afecta a las granjas verticales, no pierden un lote. Pierden toda la casa».

La colaboración se ha basado en una amplia gama de experiencia, dando a los investigadores una visión de muchos ángulos del problema.

«Este proyecto [con Bais] tiene cepas mutantes de salmonella y eso nos permite otro ángulo en el lado de la biología molecular», dijo Kniel. «Las mutaciones individuales son importantes para la estructura de la salmonella y la regulación del estrés. Podemos ver la capacidad de la salmonella para internalizarse en la planta. Cuando usamos cepas mutantes vimos grandes diferencias en la capacidad de colonizar e internalizar, y eso es lo que los consumidores escuchan mucho acerca de usted. No puede lavarlo. También podemos ver qué genes o parte del organismo podrían ser más responsables de la persistencia en la planta, haciendo que dure más y más fuerte. Eso es tan importante cuando piensas en cuestiones de seguridad alimentaria «.

Entre las otras preguntas que hacen los investigadores:

¿Estas bacterias mueren más fácilmente cuando están al sol?
¿Mucha humedad o humedad les permite crecer?
¿Cuánto interactúan con la planta?
El estudio del agua de riego en la región del Atlántico Medio de los Estados Unidos se realizó en colaboración con «Conserve», un Centro de Excelencia que incluye investigadores del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos y la Universidad de Maryland.

«Estamos viendo de dónde obtienen los productores el agua y qué están haciendo para asegurarnos de que sea microbianamente segura», dijo.

Parte del agua se recupera después de ser utilizada para lavar otros cultivos. Algunos provienen de canales y estanques. El equipo tomó una serie de muestras durante un período de dos años, analizando salmonela, listeria, E. coli, virus y protozoos.

«Se ha demostrado que el agua en múltiples brotes es un riesgo potencial de contaminación», dijo Kniel. «Este documento es importante porque identifica los riesgos de los estanques, los ríos y el agua recuperada, así como discute lo que los productores podrían hacer y cómo tratar el agua. Muchos productores están felices de usar la tecnología siempre que sea rentable y confiable y puede usarse para productos frescos «.


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