Resistencia Sistemica Adquirida

UAM UNIVERSIDAD AUTONOMA DE MADRID
FISIOLOGIA
TEMA 28. DEFENSA FRENTE A PATÓGENOS
Las plantas están en contacto continuo con bacterias, hongos, virus, insectos, nemátodos
y otros animales y plantas que pueden vivir en simbiosis o mutualismo, o bien pueden
dañar a la planta. En especial, los microorganismos pueden infectar, colonizar y
reproducirse sobre o dentro de los tejidos vegetales en simbiosis o bien desarrollando
una enfermedad en la planta, en una asociación virulenta conocida como patogénesis.
Estrategias utilizadas por los patógenos
Los diferentes patógenos poseen diferentes estrategias para invadir con éxito una
planta: ataque mecánico, enzimático, entrada por aperturas naturales como los estomas.
Una vez dentro de la planta se nutren de ella bien matando células (necrotrofia),
manteniéndolas vivas (biotrofia) o matándolas después de un período de colonización
(hemibiotrofia).
El éxito de la patogénesis puede deberse a la alta capacidad reproductora del
patógeno durante la etapa de mayor desarrollo de la planta, a una alta capacidad de
dispersión (por viento, agua o vectores como insectos), a la formación de estructuras de
resistencia dentro de la planta (como esporas que pueden ser viables durante décadas), o
a una alta tasa de mutación para generar genotipos virulentos que escapen a las defensas
de la planta.

Infección por hongos: las especies de hongos necrotróficos suelen secretar
enzimas que degradan la pared y pueden infectar a un amplio rango de plantas.
Algunos producen toxinas. Las especies biotróficas suelen formar una estructura
especializada denominada haustorio, a través del que toman agua y nutrientes de
la planta, aunque otros simplemente viven en el apoplasto. En algunos casos, los
hongos son hemibiotróficos. Después de una fase inicial, ante un aumento
excesivo de la demanda de nutrientes, la planta muere.

Infección
bacteriana:
las
bacterias
típicamente
colonizan
espacios
intercelulares en distintos órganos o el xilema rodeadas de polisacáridos
superficiales, fundamentalmente exopolisacárido (EPS) que aumentan su
virulencia. Muchas secretan toxinas que causan daños celulares, enzimas que
degradan paredes celulares. Algunas, como Agrobacterium tumefaciens
transfieren parte de su ADN en un plásmido, el ADN-T, a la célula huésped. Los
genes esenciales para la infección (genes de respuesta hipersensible, hrp)
aparecen asociados en un cluster (cluster de patogenicidad). Muchos de ellos son
similares a los de bacterias patógenas en animales, posiblemente debido a
transferencia horizontal y posterior evolución hasta especializarse en infección
de distintos huéspedes. De hecho, existe al menos una cepa de Pseudomonas
aeruginosa capaz de infectar Arabidopsis y ratón.

Infección viral: aunque existe todo tipo de virus patógenos de plantas, la mayor
parte de los conocidos son virus ARN monocatenarios (ssARN) de cadena
positiva. Son biotróficos y deben multiplicarse, moverse a células vecinas y
evitar la respuesta defensiva de la planta. La replicación de la cadena positiva
del ARN viral tiene lugar en el citoplasma una vez sintetizada su maquinaria de
replicación aprovechando los ribosomas vegetales; la de los virus ADN, como
los geminivirus, o las de ARN negativo, en el núcleo. El movimiento a células
vecinas se realiza vía simplasto a través de plasmodesmos modificados para
permitir el paso de grandes moléculas (como las nucleoproteínas virales), previa
inducción de proteínas de movimiento (MPs), aunque no se conoce cómo entran
o salen los virus de los plasmodesmos. Una vez en el floema, la velocidad de
movimiento al resto de la planta se incrementa notablemente.

Infección de nemátodos: Los nemátodos infectan siempre el sistema radicular.
Son biotróficos, poseen un estilete hueco capaz de atravesar las paredes
celulares; muchos modifican el metabolismo de la célula infectada e inducen
estructuras especializadas en ella para nutrirse, como las células gigantes
resultantes de la fusión de varias células por disolución parcial de sus paredes o
por mitosis sin citoquinesis. Algunas formas son ectoparásitos, y se alimentan
desde la superficie celular, otros son endoparásitos, e invaden el tejido radicular,
donde transcurre gran parte de su ciclo vital, formando quistes.

Ataque de herbívoros: Muchos herbívoros no sólo se alimentan de la planta,
sino que, además, en el caso de los artrópodos, la utilizan como cobijo donde
refugiarse y/o reproducirse. Las plantas son dañadas por mordiscos o por
punciones de insectos chupadores, o barrenadas en el caso de especies
barrenadoras. Además de daños directos, los herbívoros pueden servir de
vectores transmisores de otros patógenos, fundamentalmente virus y bacterias, y
dejar debilitadas las zonas vecinas a las que han servido de alimento, facilitando
así el ataque de otros patógenos.
Sistemas vegetales de defensa
Al igual que los animales, las plantas poseen mecanismos de defensa
preexistentes o inducibles por el ataque del patógeno. Aunque no tan especializados
como el sistema inmune de los vertebrados, la respuesta de las plantas suele disminuir
bastante la infección, de tal forma que, dentro de una población, suele reducirse a un
grupo pequeño de ejemplares y se localiza en pocas partes del tejido vegetal.
La propagación de la infección a la población vegetal puede verse frenada
porque la planta no tenga los requerimientos necesarios para la reproducción del
patógeno, porque posea barreras estructurales o compuestos tóxicos, porque una vez
atacada se activen mecanismos de defensa que eliminan al patógeno o simplemente por
un cambio en las condiciones ambientales, que disminuya la eficacia de la infección.
En el caso de rechazo de la infección se utiliza el término de incompatibilidad
genética, aunque sólo se induce la resistencia en el caso de la activación de mecanismos
de defensa. Cuando las condiciones son favorables y el patógeno salva los mecanismos
de defensa previos e inducibles, la infección tiene éxito y se llama compatible.
Defensas previas de las plantas
Además de mecanismos estructurales, centrados en la pared celular, la mayoría
de las plantas sistetizan metabolitos secundarios con propiedades antimicrobianas.
Algunos se sintetizan como precursores y se activan por enzimas inducidas tras el
ataque. Los fundamentales son las saponinas (triterpenoides o alcaloides) y los
glucosinolatos (que en su hidrólisis producen toxinas como cianatos, nitrilos, y otros
componentes típicos de los aceites de mostaza).
Defensas inducibles por la infección
Cada célula vegetal precisa de un “sistema de vigilancia”, que distinga entre
señales propias o generadas por el patógeno, para activar rápidamente sus defensas en el
sitio de la infección y crear en él condiciones desfavorables para el crecimiento y
reproducción del huésped. Al mismo tiempo, debe poner en marcha mecanismos para
eliminar posibles toxinas generadas por la infección.
La activación total de estos mecanismos de forma rápida conduce en pocas horas
a la muerte de las células y tejidos atacados, y se conoce como repuesta hipersensible.
Las células muertas contienen altas concentraciones de compuestos antimicrobianos,
por lo que se evita el ataque de otros organismos oportunistas.
Las plantas pueden tener además un sistema de resistencia sistemática adquirida
que avisa de la presencia del estrés en órganos de la planta que no han detectado el
estrés.
Bases genéticas de las interacciones planta-patógeno
La resistencia a la infección suele estar dominada por alelos dominantes, aunque
existen algunos alelos recesivos implicados en mecanismos de defensa. Después del
descubrimiento de que la resistencia a un patógeno específico es heredable y a veces
radica en un modelo mendeliano de dominancia, se propuso el modelo “gen a gen”, que
predice que una planta expresará un alelo dominante de resistencia (R) a un patógeno
determinado, que reconoce al producto del gen de avirulencia (Avr) del mismo. El
reconocimiento disparará la defensa de la planta y hará incompatible (avirulenta) la
interacción. Un gen R o Avr distinto no reconocerá a su complementario, la respuesta no
se inducirá y el patógeno tendrá éxito, siendo la interacción compatible (virulenta).
Muchos patógenos pueden mutar rápidamente, transformándose en virulentos
para plantas resistentes. Como respuesta, muchos de los loci R presentan un grado
elevado de polimorfismo dentro de las poblaciones vegetales, por lo que es frecuente,
entre tanta variación alélica, un fenotipo resistente en la población en caso de mutación
del patógeno, que frene la epidemia. Este polimorfismo se alcanza en muchas ocasiones
por recombinación entre diferentes loci R que se agrupan en familias multigénicas que
mapean muy cerca unos de otros en el cromosoma.
Se ha comprobado que este modelo puede ser válido para la mayoría de las
interacciones planta-patógeno. Para patógenos cuya virulencia radica en la liberación de
toxinas, la compatibilidad o incompatibilidad radica no sólo en el reconocimiento del
factor de virulencia, sino en la producción de la toxina por el gen dominante (Tox) del
patógeno y la existencia de genes dominantes de sistemas enzimáticos de
desintoxicación en la planta.
Proteínas relacionadas con la patogénesis
Siendo desconocido el papel de los genes R, la estrategia seguida para identificar
sus productos desde finales de los años 1980’s fue la localización del gen en los
cromosomas de plantas que segregaban individuos resistentes y susceptibles o la
identificación de la secuencia por inserción de un transposón, que destruye su actividad
y hace susceptible a la planta o por complementación con un cósmido que confiera
resistencia a la planta susceptible.
Así, se han identificado o predicho varias clases de proteínas R con dos
funciones básicas: reconocimiento del ligando producto del gen Avr del patógeno y, una
vez activadas por este, transmitir la señal hasta inducir la transcripción de genes
relacionados con la respuesta de defensa. Algunas de ellas son proteínas transmembrana
y otras citoplasmáticas.
La región de reconocimiento, implicada en interacciones proteína-ligando, en
casi todas las proteínas R conocidas contiene dominios ricos en leucina formando un
núcleo hidrofóbico, flanqueado por otros aminoácidos variables, que pueden estar
implicados en el reconocimiento de unos tipos de ligandos u otros.
Los dominios efectores en las porciones N-terminal de las proteínas R son de
diversos tipos, lo que implica distintas rutas de transducción de la señal desencadenante
de la defensa. Muchas de las proteínas R citoplasmáticas, aunque no tienen actividad
quinasa intrínseca, contienen un sitio de unión a nucleótidos del que depende su
función, con localización central, que puede ser un adaptador entre el sitio de
reconocimiento en el extremo C-terminal y el efector en N-terminal. La unión de ATP o
GTP a este sitio central podría activar la respuesta de defensa.
Las proteínas R transmembrana contienen un dominio de anclaje a la misma y
pueden poseer actividad quinasa en el dominio N-terminal. Finalmente, otras proteínas
R citoplasmáticas sólo tiene el dominio correspondiente a la actividad quinasas y, para
desencadenar la defensa, necesitan la expresión de una proteína con el dominio de
reconocimiento.
La variabilidad predicha en estos tipos de estructuras implica que confieran
resistencia a unos u otros patógenos. Así, patógenos que liberan proteínas avr al
citoplasma son reconocidos por proteínas R citoplasmáticas, que pueden activar la
respuesta con o/y sin intervención de proteín quinasas. Las proteínas R transmembranas,
lógicamente están encargadas de reconocer productos avr extracelulares y transmitir la
señal al interior para inducir la respuesta.
Reacciones de defensa. La respuesta hipersensible
La respuesta de la planta al patógeno implica la activación de numerosos
mecanismos: genes de defensa, canales iónicos, modificación de proteínas o activación
enzimática que modifica los metabolismos primario y secundario. Además, se generan
señales secundarias para coordinar la respuesta.
A menudo, la respuesta induce rápidamente la muerte de las células invadidas y
sus vecinas, para aislar al patógeno, reducir el acceso de este a los nutrientes y, en
ocasiones, para liberar sustancias inhibitorias. A este rápido proceso de muerte celular
programada se le conoce como respuesta hipersensible (RH) (Tema 26). La RH no es un
componente obligatorio de todas las reacciones de defensa, existiendo genes R que no
confieren resistencia mediada por RH. Como se comentó en el tema 26, existen dos
posibles mecanismos que la disparan y que parecen ocurrir: la planta, una vez detectado
el patógeno inicia el programa de muerte celular y/o sustancias tóxicas del patógeno o
sintetizadas por la propia planta causan le necrosis celular.
Además de la muerte por RH, a veces, previo a ella, otros mecanismos de
defensa se pueden inducir:

producción de especies de oxígeno activas (EOA), detectada en pocos minutos
en la mayoría de las interacciones incompatibles, sobre todo ·O2- y H2O2 que
resultan tóxicas para el patógeno. Además, el H2O2 puede formar enlaces con
glucoproteínas de la pared y activar, por inducción de peroxidasas, la síntesis de
lignina, haciendo a la célula menos accesible. Además, algunas EOA pueden
actuar como señal para inducir algunos genes de defensa

producción de óxido nítrico, que inhibe catalasas y ascorbato peroxidadas
potenciando el aumento de EOA e induciendo la muerte celular por daño
oxidativo, condiciendo a la RH. Al igual que las EOA, el NO también parece ser
señal de inducción de otros genes de defensa.

formación de estructuras de resistencia en la pared celular, como papilas de
callosa y lignina, que bloquean el avance de hongos, o deposición de callosa en
los plasmodesmos, para frenar a los virus. La síntesis de novo de glucoproteínas
de pared como las ricas en hidroxiprolina, que serán enlazadas por H2O2, como
se ha descrito, o de inhibidoras de poligalacturonasas, que impedirán la rotura de
pectinas, reforzarán también las barreras físicas contra el patógeno.

generación de señales secundarias, como ácido benzoico, salicilato, jasmonato o
etileno, implicadas en la inducción de genes de resistencia local y sistémica.

síntesis de fitoalexinas, compuestos lipofílicos de bajo peso molecular con
propiedades antimicrobianas.

inducción de “antidigestivos” contra herbívoros, como péptidos inhibitorios de
proteinasas

silenciado post-transcripcional de genes contra el ataque de virus, por el que se
degradan secuencias específicas de ARN, evitando la proliferación viral.

inducción de rutas paralelas de transducción de señales que coordinan todas las
respuestas.
Respuesta sistémica
Los patógenos inducen respuestas de defensa locales en minutos que, en horas,
pueden transmitirse a tejidos vecinos e incluso a otras plantas de la población. El tipo de
respuesta sistémica inducida viene determinado por el tipo de patógeno. Muchos virus,
hongos y bacterias activan resistencia sistémica adquirida (SAR), que reduce la
capacidad de posteriores ataques, señalizada a través de salicilato y metil-salicilato. Los
insectos inducen respuestas similares a las del daño mecánico (respuesta a herida), que
implica la producción de sistemina (péptido de 18 aminoácidos) que activa la síntesis de
jasmonato que, tras un aumento de etileno, inducirá la producción de péptidos
inhibitorios de proteinasas en otras partes de la planta. Los nemátodos activan un tipo de
respuesta sistémica mixto entre los dos anteriores, además, al igual que las rizobacterias
no patógenas, inducen, a través del jasmónico y el etileno, resistencia sistémica sin
necesidad de proteínas relacionadas con la patogénesis y sin la intervención del
salicilato.