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Departamento de Bioquímica

Facultad de Química UNAM

0113 Aplicaciones de Bioquímica y Biología MolecularInteracciones moleculares entre plantas y microorganismos.Diagnóstico y detección de enfermedades cuarentenarias en

México

Facultad de Química

Semestre 2017-2

Dr. Javier Plasencia de la Parra

javierp@unam.mx

Introducción

Estudio de las plantas y sus patógenos

Tipos de microorganismos patógenos

Guerra química: Factores de virulencia y mecanismos de defensa de las plantas

Estudios de la interacción planta-patógeno

Interacciones moleculares entre plantas y microorganismos.

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¿Por qué estudiar las plantas?

www.plantcell.org/cgi/doi/10.1105/tpc.109.tt1009

Las plantas, como la mayoría de los animales, son eucariontes multicelulares

BacteriaArchaea Animales

Plantas

Hongos

Ancestros comunesCrédito de fotos: Public Health Image Library; NASA; © Dave Powell, USDA Forest Service; Tom Donald

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Las plantas son diversas

Algas verdes

Hepáticas

Musgos

Plantas Vasculares

Helechos

Plantas con semillas

Plantas con flores

Gimnospermas

GramíneasPlantas de hojas

anchas

Plantas Terrestres

Las plantas evolucionaron la habilidad de prosperar en

diversos hábitats terrestres

Imágenes cortesía de Tom Donald

Licofitas

Un objetivo importante del estudio de las plantas es aumentar la producción de alimentos; estimaciones indican que requerimos aumentar la producción de alimentos un 70% en los próximos 40 años.

La población mundial se triplicará (2.5 billones a 7.5 billones) en 70 años (1950 – 2020)

Po

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Muchas veces, el crecimiento vegetal es limitado por la falta del agua

Fuente de la imagen: IWMI

Áreas física o económica de escasez de agua

Poca o ninguna escasez de agua

Escasez física de agua

Escasez física de agua emergente

Escasez económica de agua

No estimado

La sequía es acentuada por el incremento global de la temperatura

Gornall, J., Betts, R., Burke, E., Clark, R., Camp, J., Willett, K., and Wiltshire, A. Implications of climate change for agricultural productivity in the early twenty-first century. Phil. Trans. Royal Soc. B: 365: 2973-2989.m

En regiones de climacaluroso, el rendimientode los cultivos baja ~3 –5% con cada incrementode 1°C de temperature promedio.

Modelo del aumento de la temperatura media en tierras agrícolas para el año 2050.

Cambio de temperatura promedio (°C)

Alto 5

Bajo 0

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Otra limitante en la producción agrícola, son las enfermedades causadas por microorganismos.Enfermedades reemergentes

•Phytophthora infestans, oomiceto, causante del tizón tardío de la papa, ha re-emergido como una amenaza.

•Puccinia graminis tritici, basidiomiceto, roya negra del trigo, ha desarrollado una forma altamente agresiva.

Crédito de fotos: www.news.cornell.edu; www.fao.org

El tizón tardío destroza las plantas de papa y el tubérculo

•El tizón tardío de la papa es causado por el hongo Phytophthora infestans. El brote de la enfermedad en 1840s destruyó cultivos de la papa y causó más de un millón de muertes de gente en Europa.

Crédito de fotos: USDA; Scott Bauer

Infectada Tratada

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Tizón tardío de la papa, causado por el oomiceto Phytophthora infestans

• Hambruna en Irlanda, aprox. 600,000 a 800,000 muertes

• Dos millones de personas migraron

• Alta densidad poblacional

• Dependencia en un solo cultivo y presencia del patógeno

Phytophthora infestans puede infectar las hojas o los tubérculos

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La roya negra del trigo es una amenaza emergente

• Una nueva cepa del hongo, muy patogénica, apareció en Uganda en 1999 – se ha denominado Ug99.

• La mayoría de las variedades de trigo cultivadas no tienen resistencia a esta cepa.

Plantas de trigo infectadasCrédito de foto: ARS USDA

Ug99, una amenaza sin fronteras para el trigo

•Este es un problema mundial que requiere atención global. Las esporas de Ug99 no respetan las fronteras nacionales…• – Agencia de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO)

•

Crédito de foto: ARS USDA

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Las esporas del hongo son transportadas por el viento

•Ug99 se encuentra en Uganda, Kenya, Ethiopia, Sudan, Yemen e Irán, y amenaza regiones del Cercano Oriente, Africa del Este, Asia Central y Meridional.

•Las corrientes de viento, transportadoras de esporas, se muestran en rojo.

Crédito de foto: www.wheatrust.cornell.edu

• El crecimiento y la productividad de lasplantas determina la provisión de alimentospara animales y humanos.

• Las enfermedades afectan la productividad,por lo que se altera la cantidad, calidad ydisponibilidad de los alimentos.

• Las plantas no son solamente fuentes dealimentos, también son fuente de maderas,fibras, aceites, especias y principios activosde fármacos.

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Una célula vegetal puede ser infectada por:

• Hongos

• Bacterias

• Virus

• Fitoplasmas

• Viroides

• Nemátodos

• Protozuarios

Bacterias Fitopatógenas• Bacterias Gram Positivas:

• Clavibacter

• Streptomyces

• Bacterias Gram Negativas:• Agrobacterium

• Xanthomonas

• Pseudomonas

• Erwinia

• Ralstonia

• Patovar (pv): Subdivisión de las especies definida por el rango de hospederos.

• Ej. Pseudomonas syringae pv. phaseolicola

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Hongos como Agentes Fitopatógenos

• Ascomycetos.

• Basidiomycetos.

• Hongos Imperfectos

Oomicetos.

Pared celular compuesta por celulosa.

Phytophthora infestans

Virus como fitopatógenos.

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Viroides

• Moléculas de RNA circulares, cerradas covalentemente. Capaces de replicarse y de inducir enfermedades.

• El tamaño varía entre 250-450 nucleótidos.

• No codifican ninguna proteína.

• Dependen de la polimerasa del hospedero para su replicación.

• Transmitidos mecánicamente y también por semillas.

• Solamente se han descrito como patógenos de plantas.

Fitoplasmas como agentes patógenos en plantas

• MLO: “mycoplasma-like organisms”

• Procariontes, carecen de pared celular.

• Están restringidos al floema en plantas.

• Son transmitidos por homópteros (saltamontes).

• Sintetizan y excretan sustancias con actividad de reguladores del crecimiento.

• Causan diversos síntomas.

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Patógenos Microbianos

•BIOTROFOS

•Células del hospedero mueren lentamente.

•Pocas enzimas o toxinas.

•Formas parasíticas especiales (haustoria).

•Rango estrecho de hospederos.

•Incapaz de crecer en ausencia del hospedero.

•Atacan en cualquier etapa de desarrollo.

•NECROTROFOS

•Matan células rápidamente

•Producen enzimas y toxinas citolíticas.

•No forma estructuras especializadas.

•Penetración vía heridas o aperturas naturales.

•Rango amplio de hospederos.

•Saprófitos

•Atacan plantas estresadas

• HEMIBIOTROFOS

• Comparten características de biótrofos y necrótrofos.

• Establecen una asociación con la célula hospedera parecida a los biótrofos.

• En etapas tardías de la infección, matan a las células hospederas.

• Pueden sobrevivir como saprófitos.

Semilla dormante

Germinación

Plántula

Crecimiento vegetativo

Planta Adulta Floración

Formación de semilla

Planta con Flor

Reducción en el número de semillas viables

Fertilidad reducidaVigor reducido

Menor número de plántulas.

Plántulas poco vigorosas

Pobre producción de semillas

Una planta está expuesta a patógenos a lo largo de todo su ciclo de desarrollo.

Modificado de Lucas, 1998

Elongación y crecimiento

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Síntomas: La reacción externa o interna, o alteraciones en la planta como resultado de la infección.

Signos: El patógeno, alguna parte de éste, o algún producto observado en la planta hospedera.

Para un diagnóstico presuntivo de la enfermedad, se observan síntomas y signos en los tejidos

Para acceder al tejido vegetal, los patógenos:

Pueden penetrar directamente.

Aprovechar heridas en el tejido.

Utilizar aperturas naturales.

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1. Penetración directa del tejido.

En hongos: formación de estructuras especializadas, como el apresorio y una “clavija” de penetración.

1. Penetración directa del tejido. Formación del apresorio

Otra estructura especializada es el haustorio que permite al hongo extraer nutrientes de una célula viva.

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Se puede completar el ciclo de vida y esporular en la misma hoja

Penetración a través de aperturas naturales.

Tanto bacterias como hongos pueden aprovechar las heridas que se forman en la región donde nace una raíz lateral.

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Penetración a través de aperturas naturales.

Los estomas son aperturas naturales que se encuentran en la parte abaxial de la hoja. Su función es en el intercambio de gases y retención de agua. Las células “guarda” controlan su apertura

Penetración a través de aperturas naturales.

Tanto bacterias como hongos pueden penetrar por los estomas

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Penetración a través de aperturas naturales.

Lenticelas e hidátodos

Penetración a través de heridas mecánicas.

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Armas químicas de los microorganismos patógenos.

Una vez que han ingresado al tejido o para poder ingresar, tanto hongos como bacterias cuentan con un arsenal de enzimas y toxinas que facilitan la colonización de la planta hospedera.

Las cerás están formadas por ésteres de ácidos grasos de cadena larga con alcoholes grasos de cadena larga.

Muchos de los órganos de las plantas están cubiertos por una capa de cera y de cutina.

Las cutinas están formadas por ácidos grasos hidroxilados de cadena larga (C16; C18). El –OH sirve como punto de ramificación para la polimerización.

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Muchos hongos fitopatógenos y algunas bacterias producen cutinasas.

Son enzimas extracelulares, hidrofóbicas que actúan sobre la cutina.

Pudrición de raíz de frijol provocada por Fusarium solani

Las pectinas forman la lamela que es el componente que mantiene fijas a las células en los tejidos vegetales.

Polisacárido compuesto

de galacturonanos.

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Tanto hongos como bacterias producen pectinasas y pectin-metil esterasas que degradan la pectina.

Pudrición blanda de la papa causada por Erwinia carotovora

La pared celular provee rigidez a las células vegetales

La celulosa está formada por polímeros de glucosa con ramificaciones.

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La lignina se deposita entre la lamela media y la pared celular. Está formada por polímeros de compuestos fenólicos, derivados del metabolismo de fenilpropanoides.

Hongos patógenos de especies forestales producen ligninasas.

Además de enzimas de acción generalizada, muchas bacterias y hongos fitopatógenos producen toxinas que contribuyen a su virulencia.

Cuando se aplican las toxinas al tejido vegetal, son capaces de reproducir los síntomas y efectos de la infección por el patógeno.

Tabtoxina, producida por Pseudomonas syringae pv. tabaci

Inhibe a la glutamina sintetasa, causando acumulación de amonio. Inhibición de fotosíntesis.

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Tentoxina. Alternaria tenius

Inhibe la fosforilación de ADP a ATP en cloroplastos

Fusicoccina. Fusicoccin amigdaly

Estabiliza y activa a la ATPasa de protones de la membrana plasmática.

Los estomas permanecen abiertos y la planta se marchita.

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Las plantas cuentan distintos mecanismos de defensa que pueden ser constitutivos o estructurales

Defensas químicas constitutivas no estructurales

Lectinas. Proteínas con capacidad de unión a carbohidratos. Actividad antibacteriana, antiviral, antihervíboro.

Glucanasas y quitinasas.Hidrolasas que degradan glucanos y quitinas, presentes en la pared celular de hongos.

FitoanticipinasSaponinas que tienen actividad surfactante sobre membranas biológicas de patógenos.

Defensa inducidas. Estructurales

La penetración o intento de ésta por un hongo causa la deposición de material en la pared de la célula hospedera.

Este material se conoce como papila. Esta formado por distintos tipos de carbohidratos, como calosa.

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Defensas inducidas. Bioquímicas

Respuesta de Hipersensibilidad

A nivel de tejido se observa como regiones descoloridas y necróticas en las regiones adyacentes al sitio de infección. Se asocia con una respuesta de defensa eficiente para detener la infección de patógenos biótrofosy hemibiótrofos.

A nivel bioquímico, ocurre:

• Producción de especies reactivas de oxígeno (EROs)• Activación de vías hormonales: ác. salicílico, ác. jasmónico, etileno• Producción de proteínas relacionadas a patogénesis: glucanasas, quitinasas, proteasas• Producción de fitoalexinas• Activación transcripcional• Flujo de Ca2+

Tipos y actividad de proteínas relacionadas a patogénesis

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Estructura química de algunas fitoalexinas

A nivel de población• Diversidad genética• Monocultivo• Poblaciones

silvestres

A nivel de organismo• Fenología• Ciclo de vida• Desarrollo

A nivel celular• Estructura celular• Función de

organelos

A nivel molecular• Genoma• Genes de resistencia

a enfermedades

A nivel de población• Diversidad genética• Virulencia• Mecanismos de

dispersión

A nivel de organismo• Ciclo de vida

A nivel celular• Morfología

A nivel molecular• Genoma• Genes de virulencia• Genes de resistencia

a antibióticos, fungicidas…

Interacción Planta - Microorganismo

Mecanismos de defensa

Mecanismos de virulencia

Barreras estructurales

Mecanismos de penetración

Proteínas de resistencia

PAMPsEfectores

Coevolución del recoconimiento en la

interacción

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El modelo de zig-zag de las interacciones planta patógeno

Dangl and Jones. 2006. Nature 444:323-329

Factores que interactúan para que se presente una enfermedad

Planta hospedera susceptible

Patógeno

Medio ambiente favorable

Enfermedad

Estas interacciones se consideran para el diagnóstico, prevención y manejo de las enfermedades