Investigadores del John Innes Centre y la Universidad de Kobe modificaron proteínas inmunitarias capaces de reconocer efectores del patógeno en trigo y cebada, con potencial para ampliar la resistencia en cereales
Redactor: Javier Morales O.
Editor: Karem Díaz S.
Una colaboración científica encabezada desde el Reino Unido logró modificar una clase relativamente reciente de receptores inmunitarios de los cereales para ampliar su capacidad de reconocer al hongo del añublo, Magnaporthe oryzae. El trabajo, realizado por investigadores del John Innes Centre junto con científicos de la Universidad de Kobe, en Japón, aporta una nueva vía experimental para desarrollar resistencia frente a una enfermedad que afecta al arroz y también se ha extendido al trigo y la cebada.
El estudio, publicado en Science Advances, se concentró en las proteínas quinasas en tándem, conocidas como TKP por sus siglas en inglés. Los científicos determinaron a escala molecular cómo determinados componentes de estos receptores reconocen proteínas utilizadas por el hongo durante la infección y demostraron que es posible modificar esa interacción para ampliar el repertorio de amenazas que puede detectar la planta.
El hallazgo se suma a una línea de investigación que intenta aprovechar directamente los sistemas inmunitarios vegetales para proteger la producción. Otros trabajos han identificado proteínas vegetales con potencial para ampliar la resistencia frente a diferentes patógenos, una estrategia que busca proporcionar a los cultivos herramientas de reconocimiento más versátiles.
El hongo introduce efectores para manipular las células vegetales
Magnaporthe oryzae utiliza durante la infección unas moléculas denominadas efectores. Estas proteínas son introducidas en las células de hojas y tallos, donde interfieren con procesos del hospedante y ayudan al microorganismo a establecer la enfermedad.
Las plantas, a su vez, poseen receptores inmunitarios capaces de identificar determinados efectores como moléculas extrañas. Cuando el reconocimiento tiene éxito, se activa una respuesta defensiva que puede incluir la muerte localizada de células vegetales para limitar la propagación del patógeno.
La interacción constituye una carrera evolutiva: mientras las plantas desarrollan mecanismos para reconocer al invasor, los patógenos pueden modificar sus efectores y escapar de determinadas defensas. La complejidad de esta relación ya se ha observado en arroz, donde investigaciones anteriores explicaron cómo el hongo del añublo puede manipular mecanismos defensivos del cultivo y favorecer el proceso de infección.
Durante más de tres décadas, gran parte de la investigación sobre inmunidad vegetal frente al añublo y otras enfermedades se ha concentrado en los receptores NLR, proteínas intracelulares que reconocen señales asociadas con los patógenos. El nuevo estudio pone el foco en otra familia de receptores que ha ganado importancia durante los últimos años.
Las proteínas TKP funcionan como una nueva línea de reconocimiento
Las proteínas quinasas en tándem están presentes en importantes cereales alimentarios y pueden contener un dominio integrado denominado HMA. Ese componente también aparece en algunos receptores NLR y desempeña una función relevante en el reconocimiento de los efectores producidos por los patógenos.
El equipo examinó específicamente los receptores TKP Rmo2, de cebada, y Rwt7, de trigo. El análisis mostró que ambos reconocen diferentes efectores del hongo mediante sus dominios HMA integrados y que utilizan interfaces proteicas distintas para establecer esas interacciones.
Mediante análisis biofísicos y cristalografía, los investigadores observaron a alta resolución cómo los dominios HMA interactúan con los efectores. Los resultados indican que estos dominios pueden comportarse como una especie de señuelo biológico que atrae las proteínas del patógeno y permite activar el sistema inmunitario.
La función de los receptores resulta decisiva para determinar si una planta detecta oportunamente una infección. Estudios sobre otros cereales han mostrado incluso situaciones en las que los hongos pueden aprovechar receptores inmunitarios de la cebada para favorecer la enfermedad, evidencia de la complejidad molecular que existe detrás de la resistencia genética.
Un receptor modificado reconoció efectores de trigo y cebada
Una vez identificados los puntos de contacto entre las proteínas, los científicos modificaron aminoácidos en las zonas donde los efectores se unen a los dominios HMA. De esta manera consiguieron bioingenierizar receptores TKP con una especificidad diferente a la observada originalmente.
El resultado central fue la obtención de receptores con doble especificidad capaces de unirse a efectores asociados con la infección del trigo y de la cebada. Esa capacidad de reconocimiento simultáneo no es frecuente de manera natural y constituye la principal prueba de concepto presentada por el equipo.
Los resultados sugieren que los dominios HMA podrían funcionar como módulos modificables para crear nuevas especificidades inmunitarias. En lugar de depender exclusivamente de receptores que reconocen una sola señal del patógeno, la bioingeniería podría ampliar el número de efectores que una misma arquitectura defensiva es capaz de identificar.
La posibilidad resulta relevante porque los patógenos pueden superar genes de resistencia cuando evolucionan variantes que dejan de ser reconocidas por la planta. Un fenómeno similar se observa en otras enfermedades del trigo, como el oídio, para el cual se ha documentado cómo determinados mecanismos fúngicos consiguen evadir las defensas inmunitarias del cereal.
El experimento todavía no se realizó en plantas completas
El avance se encuentra en una fase experimental. Las pruebas de concepto fueron realizadas con protoplastos, células individuales de trigo utilizadas como sustitutos experimentales del tejido de una planta completa. Por tanto, los resultados no significan todavía que exista una nueva variedad resistente ni una tecnología disponible para los agricultores.
El siguiente paso anunciado por el equipo será trasladar los resultados obtenidos en células aisladas a plantas cultivadas en invernadero. Esa etapa permitirá comprobar si los receptores modificados pueden proporcionar una respuesta inmunitaria efectiva cuando funcionan dentro de una planta completa y bajo condiciones de infección más próximas a las reales.
Daniel Yu, primer autor del estudio, señaló que los resultados muestran que esta nueva clase de proteínas de resistencia puede ser modificada mediante ingeniería. El trabajo también indica que herramientas utilizadas anteriormente para alterar receptores NLR podrían aplicarse a los TKP.
La investigación sobre inmunidad vegetal muestra, además, que aumentar las defensas no consiste simplemente en mantenerlas permanentemente activadas. Las plantas deben equilibrar protección y desarrollo, y estudios recientes han mostrado cómo las hormonas regulan el equilibrio entre crecimiento e inmunidad para evitar que una respuesta defensiva continua penalice innecesariamente el desarrollo del cultivo.
Combinar diferentes receptores podría dificultar la adaptación del hongo
Una de las posibilidades planteadas por los investigadores consiste en combinar genes que codifican receptores TKP y NLR contra una misma enfermedad. Como ambas clases de proteínas inmunitarias parecen activarse mediante mecanismos diferentes, su utilización conjunta podría crear varias barreras simultáneas frente al patógeno.
La estrategia se basa en reducir las oportunidades de que una modificación del hongo sea suficiente para superar toda la resistencia de la planta. Si diferentes receptores reconocen distintas características de la infección y activan las defensas mediante rutas complementarias, el microorganismo tendría que superar más de un mecanismo para mantener su capacidad de causar enfermedad.
La ingeniería de receptores también podría combinarse en el futuro con mejoramiento de precisión y herramientas de inteligencia artificial para identificar cambios específicos en los dominios HMA. Sin embargo, esas aplicaciones dependerán de nuevas pruebas que confirmen la eficacia y estabilidad de las modificaciones en plantas y posteriormente en condiciones agrícolas.
El principio de reforzar previamente las defensas vegetales también se investiga mediante otras estrategias. Ensayos recientes mostraron que una molécula producida por nematodos puede preparar la respuesta inmunitaria de varios cultivos, incluido el trigo, frente a diferentes microorganismos causantes de enfermedades.
El añublo amenaza arroz, trigo y cebada
El añublo constituye una de las enfermedades fúngicas más destructivas de los cereales. El John Innes Centre estima que cada año las pérdidas ocasionadas en arroz equivalen a una cantidad de grano suficiente para alimentar a unos 60 millones de personas.
En trigo, la enfermedad fue identificada por primera vez en Brasil durante la década de 1980 y posteriormente apareció en otras regiones, incluidas zonas de Asia y África. El patógeno no está establecido actualmente en el Reino Unido, aunque los investigadores consideran que los cambios climáticos podrían modificar en el futuro las áreas expuestas al riesgo.
La importancia del nuevo trabajo reside en haber demostrado, a escala molecular y celular, que los receptores TKP pueden modificarse para reconocer más de un efector del hongo. Convertir esa capacidad en resistencia agronómicamente útil requerirá ahora comprobar el funcionamiento de los receptores en plantas completas y determinar posteriormente su comportamiento frente a diferentes variantes del patógeno.
Fuentes referenciales:
Phys.org
John Innes Centre
Science Advances
