Interacciones Planta Patógeno Biotecnología Vegetal 2010 Fernando Pieckenstain Virus Bacterias Otras plantas Hongos Invertebrados Barreras defensivas Preformadas Inducidas Conceptos básicos • Las plantas se encuentran enfermas cuando una o más de sus funciones fisiológicas resultan alteradas y su productividad se ve disminuida como consecuencia de la infección por un organismo patógeno. Organismo que durante una parte, o todo su ciclo de vida, crece dentro de la planta y tiene un efecto perjudical para la misma Conceptos básicos Patogénesis: proceso de infección, colonización y reproducción de un organismo patógeno Las cepas de un organismo que son capaces de causar enfermedad en un hospedante se conocen como virulentas patógeno HOMBRE ENFERMEDAD ambiente hospedante Complejo causal de la enfermedad Campo de estudio de la fitopatología Organismos que causan enfermedades de plantas Procesos y tipos de interacciones involucrados Métodos de prevención y control El agricultor incurre en pérdidas derivadas de las enfermedades: Producir variedades resistentes pero menos productivas Controlar la enfermedad con prod. qcos., maquinarias, trabajo. Estrategias de ataque de patógenos Mecanismos de penetración • • • • Presión mecánica Digestión enzimática Aberturas naturales Invasión de tejido previamente dañado Necrotrofia Dentro de la planta Biotrofia Hemibiotrofia Estrategias de patogénesis Estrategia Necrotróficos Biotróficos Características Muerte celular Colonización Maceración exhaustiva Células vivas Daño mínimo Rango de hospedantes Estrecho Amplio Los hemibiotróficos presentan características intermedias a ambos grupos Ejemplos Necrotróficos Podredumbres de origen bacteriano (Erwinia spp) y fúngico (Botrytis cinerea) Botrytis cinerea en vid Ejemplos Biotróficos Royas y mildiús, (hongos), virus, bacterias (Pseudomonas spp) Mildiú pulverulento del trigo (Erysiphe graminis f. sp. tritici). • Royas de los cereales Puccinia triticina Puccinia striiformis Pucccinia graminis Patógenos fúngicos 100.000 especies de hongos Tipos 2% son patógenas de plantas Necrotróficos: producción de toxinas y enzimas degradativas permiten la penetración. Biotróficos: frecuentemente penetran por apresorios y haustorios. Hemibiotróficos: ‘switch’ provocado por aumento de biomasa fúngica. La formación de apresorios y haustorios es un mecanismo de penetración frecuentemente usado por hongos biotróficos Patógenos bacterianos Comúnmente colonizan el apoplasto Xanthomonas campestrisBrasssica spp Patógenos bacterianos Necrotróficos y biotróficos Estrategias de penetración similares a las de hongos Mecanismos semejantes a los de bacterias patógenas de mamíferos (más adelante) Virus, nematodos e insectos Mecanismos de defensa Desarrollo de enfermedad Compatibilidad Incompatibilidad • La planta atacada no es adecuada para los requerimientos del patógeno (no hospedante) • Presencia de barreras pre-formadas, estructurales o bioquímicas (resistencia tipo no-hospedante). • Reconocimiento del patógeno y activación de mecanismos de defensa, circunscripción de la infección. • La infección aborta por cambios en condiciones ambientales. Tipos básicos de mecanismos de defensa asociados a cada tipo de resistencia Mecanismo de resistencia Tipo de resistencia ‘no-hospedante’ ‘hospedante’ Constitutivo Inducido Conceptos básicos sobre la resistencia a enfermedades Término Explicación y características Resultado Resistencia de tipo ‘nohospedante’ Resistencia propia de una especie vegetal hacia un patógeno específico. Es efectiva contra todos los aislamientos conocidos del patógeno Poligénica De amplio espectro Presentada por determinados genotipos dentro de una especie. Es efectiva contra todos los aislamientos conocidos del patógeno Mediada por proteínas de resistencia Tipo de resistencia que varía dentro de una especie. Solamente es efectiva en genotipos que portan un gen de resistencia que participa en el reconocimiento de elicitores producidos por aislamientos específicos del patógeno Activada en genotipos susceptibles dentro de una especie hospedante Ausencia de enfermedad Resistencia no de tipo específica ’hospedante’ de raza razaespecífica Defensas basales Solo algunos genotipos son resistentes Cada genotipo tiene diferente sensibilidad a aislamientos diferentes La severidad de la enfermedad varía entre genotipos susceptibles Resistencia de tipo no hospedante Genotipo Raza de patógeno 1 2 3 4 5 A R R R R R B R R R R R C R R R R R D R R R R R E R R R R R Resistencia de tipo hospedante, no específica de raza Genotipo Raza de patógeno 1 2 3 4 5 A R R S S S S R B S S C R S S S R D R S S S R E R S S S R R Resistencia de tipo hospedante, específica de raza Genotipo Raza de patógeno 1 2 3 4 5 A R S R R S S S B S S R C S R R S S D R S R S R E R S S R S Resistencia: ¿todo o nada? Tolerancia Reducción del desarrollo de síntomas durante una interacción compatible Resistencia: ¿todo o nada? Tolerancia Reducción del desarrollo de síntomas durante una interacción compatible Conceptos básicos sobre la resistencia a enfermedades Término Explicación y características Resultado Resistencia de tipo ‘nohospedante’ Resistencia propia de una especie vegetal hacia un patógeno específico. Es efectiva contra todos los aislamientos conocidos del patógeno Poligénica De amplio espectro Presentada por determinados genotipos dentro de una especie. Es efectiva contra todos los aislamientos conocidos del patógeno Mediada por proteínas de resistencia Tipo de resistencia que varía dentro de una especie. Solamente es efectiva en genotipos que portan un gen de resistencia que participa en el reconocimiento de elicitores producidos por aislamientos específicos del patógeno Activada en genotipos susceptibles dentro de una especie hospedante Ausencia de enfermedad Resistencia no de tipo específica ’hospedante’ de raza razaespecífica Defensas basales Solo algunos genotipos son resistentes Cada genotipo tiene diferente sensibilidad a aislamientos diferentes La severidad de la enfermedad varía entre genotipos susceptibles Resistencia vertical y horizontal Vanderplank (1963) Plant Diseases: Epidemics and Control. Monogénica Genes semidominantes o dominantes Poco duradera Poligénica Genes recesivos Duradera Defensas preformadas e inducidas estructurales Preformadas bioquímicas Estructurales (localizadas) Ceras Cutícula Paredes celulares Estomas y lenticelas Endodermis pH Compuestos tóxicos (fitoanticipinas) Inactivadores de enzimas Deposición de callosa Lignificación Capas de absición Tilosas Inducidas bioquímicas Compuestos tóxicos (fitoalexinas) Mecanismos de detoxificación Defensas mecánicas preformadas Grosor de la epidermis Calidad de la cutícula Tamaño, localización y forma de los estomas Defensas bioquímicas preformadas Péptidos y proteínas Saponinas Compuestos glicosilados de tipo esteroides, triterpenoides o glicoalcaloides esteroidales Metabolitos secundarios Inhibidores de proteasas Glucosinolatos Glucósidos que contienen azufre Producidos por miembros de la Familia Brassicaceae Defensas bioquímicas preformadas Localización de avenacina A1 en raices de avena Buchanan et al (2000) Biochemistry & Molecular Biology of Plants Defensas bioquímicas preformadas Hidrólisis de glucosinolatos preformados y producción de compuestos tóxicos en Brassicaceae Buchanan et al (2000) Biochemistry & Molecular Biology of Plants Defensas estructurales inducidas. Tilosas (o tilosis) balloonlike extrusions of parenchyma cells into lumina of contiguous vessels that partially or completely block them (longitudinal section of elm vessel with enlarged tyloses) http://www.apsnet.org/Education/IllustratedGlossa ry/PhotosS-V/tylosis.htm Defensas estructurales inducidas. Deposición de callosa en Sitios de penetración de Botrytis cinerea hojas de tomate infectadas por B. cinerea Hoja sana, callosa solamente en haces vasculares Detección de callosa por fluorescencia al teñir con azul de anilina Asselbergh & Höfte (2007), PMPP 71:33-40 e p e i p id e d r e rm i m s i s m e s ó f i l o Defensas bioquímicas inducidas Respuesta hipersensible (HR) Proteínas relacionadas con la patogénesis (PR) Fitoalexinas Bases genéticas de la interacción planta patógeno Resistencia basada en genes R Teoria de interacción ‘gen a gen’ (Flor, 1947) Teoria de interacción ‘gen a gen’ (Flor, 1947) Proteínas de resistencia Hammond-Kosack & Parker (2003) Curr Opin Biotech 14:177–193 Genes R Hammond-Kosack & Parker (2003) Curr Opin Biotech 14:177–193 Genes R Hammond-Kosack & Parker (2003) Curr Opin Biotech 14:177–193 Propiedades de las proteínas AVR Las secuencias de los genes avr, en general codifican para proteínas pequeñas, hidrofílicas y con poca similitud a otras proteínas Distintas proteínas avr son bastante similares entre sí En algunos casos, la misma proteína AVR es responsable del reconocimiento del patógeno por parte de la planta. En otros casos, metabolitos producidos por la proteína AVR son los responsables de dicho reconocimiento Propiedades de las proteínas AVR A pesar de que se han clonado varios genes avr, se sabe poco acerca de las funciones de las proteínas codificadas por los mismos En bacterias fitopatógenas, sistemas de secreción tipo III similares a los de Shigella, Yersinia y Salmonella son responsables de introducir las proteínas AVR en las células hospedantes. La actividad AVR requiere del cluster Hrp (‘Hipersensitive Response and Pathogenicity’) Cepas Avr hrp- no producen incompatibilidad) LAS PROTEÍNAS AVR SON FUNDAMENTALES PARA LA PATOGENICIDAD EN HOSPEDANTES SUSCEPTIBLES Buchanan et al (2000) Biochemistry & Molecular Biology of Plants Sistema de secreción tipo III La interacción directa entre proteínas Avr y productos de genes R ha sido comprobada en pocos casos En algunos casos, el producto del gen R detecta la presencia de elicitores no proteicos, producidos por proteínas AVR (ej: siringólidos producidos por el gen avrD de P. syringae pv glycinea) Mecanismos propuestos para la supresión de defensas ante patógenos de plantas Probablemente interfiere con alguna cascada de señalización dependiente de fosforilación Clivaje de alguna proteína del hospedante Abramovitch & Martin (2004) Curr Opin Plant Biol 7:356–364 Por lo tanto, una de las funciones de varias proteínas AVR parece ser la de interferir con los mecanismos de defensa de la planta La interacción directa entre proteínas AVR y productos de genes R ha sido comprobada en pocos casos Hipótesis de la guarda para explicar algunos casos de interacciones incompatibles basadas en genes R y Avr Hammond-Kosack & Parker (2003) Curr Opin Biotech 14:177–193 Hipótesis de los señuelos para explicar algunos casos de interacciones incompatibles basadas en genes R y Avr van der Hoorn & Kamoun (2008) Plant Cell 20:2009-2017 Mecanismos de generación de variabilidad en genes R Principales tipos de organización de los locus de resistencia: • • Locus complejos Locus simples: • • • con número variable de genes homólogos estrechamente ligados con varios alelos diferentes con pocos alelos diferentes Solo un gen de resistencia que puede o no estar presente en cada genotipo Fuentes de generación de variabilidad en los genes R: • Mutación y selección • Recombinación entre secuencias de los distintos genes homólogos en locus complejos Defensas inducidas: la respuesta hipersensible Muerte rápida y localizada de las células en contacto con el patógeno o próximas a él • • • • • • Activación de canales iónicos de membrana (influjo de Ca+2 y eflujo de K+1) Generación de especies reactivas del oxígeno (ROS) extracelulares (apoplasto) Fortificación de la pared celular (deposición de calosa, etc.) Biosíntesis de moléculas señales tales como : SA, NO Activación de quinasas y MAPK quinasas Inducción de un amplio rango de genes de defensa (proteínas inducidas durante la HR: PRs (pathogenesis related proteins) IMPORTANTE: no todos los mecanismos inducidos de resistencia implican una HR. Hay resistencia inducida sin HR en algunos casos. Se la denomina resistencia absoluta Defensas inducidas: la respuesta hipersensible HR en cebada ante la infección por esporas del hongo causante del mildiú pulverulento (Blumeria graminis) HR en tabaco-TMV • Activación PK (5 min.) • Influjo de Ca2+ • Gatilla producción de ROS (rboh) • pH celular disminuye • Eflujo de K+1 (caspasa PCD) • Eflujo de Cl1• Depolarización de la MP • Contracción de las células (-H2O) • Incremento de NO (Ca intracel.) Criptogenina (elictor) proteína secretada por Phytophtora cryptogea Contracción del citoplasma, cambios en la morfología de las organelas, condesación de la cromatina, procesamiento endonucleolítico del ADN, liberación del citocromo c de la membrana interna mitocondrial, etc. La mitocondria podría también participar en la PCD en respuesta a cambios de pH, ATP, NADH, Ca2+ y ROS entre otros. El poro de transición en la mitocondria es favorecido por ROS y Ca2+ asociado a un bajo ATP. Se libera el cit c y entra H2O2, lisa la membrana externa ROS 9Inducción de genes de defensa 9Muerte Celular Programada (PCD) RESPUESTA HIPERSENSIBLE (HR) (Apel and Hirt 2004 – Annu Rev Plant Biol) Distintos mecanismos están implicados en la producción de ROS en respuesta al ataque del patógeno 9oxidasa NADPH-dependiente localizada en membrana plasmática 9peroxidasa de la pared celular (formación de H2O2) síntesis de polímeros estructurales 9amino, diamino y poliamino oxidasas apoplásticas. Marina M, SJ Maiale, FR Rossi, MF Romero, EI Rivas, A Gárriz, OA Ruiz, FL Pieckenstain (2008). Apoplastic polyamine oxidation plays different roles in local responses of tobacco to infection by the necrotrophic fungus Sclerotinia sclerotiorum and the biotrophic bacterium Pseudomonas viridiflava. Plant Physiology 147:2164-2178. 9oxalato oxidasas NADPH oxidasa fuente de anión superóxido Ca2+ activa esta enzima y la producción de O2.- Crosslinking de la pared celular Cascadas de señalización ROS Estado rédox de la célula Muerte celular Toxicidad directa para el patógeno ROS: produce la activación temprana de los flujos iónicos •FUNCIONES DE LAS ROS: •fortificación de la pared celular (barrera física dificulta la penetración del patógeno) •H2O2 esencial para el entrecruzamiento oxidativo de la pared celular (ricas en hidroxiprolina) formación de polímeros de lignina •Activa la transcripción de PAL (fenilalanina amonio liasa SA) •Aumenta la actividad de la enzima BA-2H (biosíntesis del SA) •Inducción de genes de defensa PRs (regulados por el estado rédox) •ROS actúan en forma sinérgica con el NO en la promoción del PCD •Induce la expresión génica que llevan a la PCD •H2O2 induce la expresión de enzimas antioxidantes en células vecinas (GST) •H2O2 y SA activan post-transcripcionalmente MAP quinasas (SIPKWIPK) •ROS inducen genes en partes distales de la planta Mecanismos de detoxificación de ROS No enzimáticos: • • • Enzimáticos: ascorbato glutation 1. superóxido dismutasa (SOD) 2. ascorbato peroxidasa (APX) 3. glutation peroxidasa (GPX) 4. catalasa (CAT) tocoferol • flavonoides • carotenoides H2O2 y hormonas de estrés H2O2 modula una serie de eventos de señalización estrechamente con el mecanismo de síntesis del NO y de las hormonas del estrés SA, ET y JA: IMPORTANTE la interacción y balance de estas vías determina si la célula vive o muere ROS y el SA forman un circuito de retroalimentación positivo que amplifica la señal de defensa conduciendo a la respuesta de defensa y muerte celular ET: es un corregulador positivo de la muerte celular requerido para la acumulación de ROS En la fase inicial de la muerte celular la señalización por JA es suprimida por SA y ET Al aumentar la concentración de ET se induce un estado de competencia para la PCD en las células vecinas propagando la muerte celular El proceso finaliza con la contención de la lesión la cual es regulada por JA El SA se acumula a concentraciones de aproximadamente 70 uM en células que presentan HR SA es necesario para el establecimiento de la respuesta local y sistémica, no requiere de su movilización SA es convertido a metil salicilato: compuesto volátil que induce resistencia en partes dístales de la planta y en plantas vecinas El gen NPR1 es un componente de la vía de transducíón del SA y actúa corriente debajo de la acción del SA en la trasnducción de la señal. Se transloca al núcleo en respuesta a la aplicación de SA El complejo SA-Fe posee actividad SOD (cataliza la dismutación de radicales superóxidos) ET, SA y JA son importantes en la muerte celular dependiente de ROS ET es requerido para la continuación de la acumulación de las ROS y dirige la PCD ET y ROS coreguladores positivos de la muerte celular ET regulador de la PCD JA está involucrado en la contención de la propagación de la lesión La activación de la NADPH oxidasa requiere flujos de iones y proteínas quinasas La acción de las ROS es amplificada y la PCD es inducida a través del SA en los sitios de iniciación de la lesión Durante la muerte celular inicial la señalización del JA es suprimida por el SA y ET En estos sitios iniciales se produce una explosión del ET y este se distribuye a células vecinas e induce competencia para la PCD: acción cooperativa entre el SA y el ET El anión superóxido es activamente producido en la lesión y durante la dispersión de la PCD. Este modelo sugiere que el O2- es la señal inductora de la muerte ET y O2- son responsables de la propagación de la muerte, el anión pasa a las células vecinas La PCD resulta en la producción de JA, el cual gatilla la contención de la lesión JA puede antagonizar la distribución de la lesión de varias formas (supresión del SA) Elicitores Sustancias de origen patogénico (elicitores exógenos) y compuestos liberados desde las plantas por acción del patógeno (elicitores endógenos). Capaces de inducir respuestas bioquímicas y/o estructurales asociadas con la expresión de genes de defensa Término originalmente usado para moléculas que inducen la producción de fitoalexinas, ahora usado para los que inducen cualquier tipo de defensa Dos grupos: Elicitores generales: son capaces de gatillar resistencia de tipo hospedantes y no hospedante Elicitores raza específicos: inducen la respuesta de defensa sólo en cultivares hospedadores específicos. Ejemplo: genes avr- gen R Elicitores no poseen una estructura química común. Incluye: oligosacáridos, péptidos, proteínas, lípidos. Actúan en baja concentración PAMPs: patrones moleculares asociados al patógeno gatillan una respuesta inmune Fitoanticipinas- Fitoalexinas Fitoanticipinas: compuestos producidos constitutivamente por plantas sanas, ellos existen antes del ataque del patógeno Fitoalexinas: compuestos con actividad antimicrobiana que se acumulan en las plantas enfrentadas con patógenos y son los mayores determinantes de la resistencia inducida a los mismos Su naturaleza depende de fenilpropanoides, terpenoides la planta: isoflavonides, Fenilpropanoides: estilbenos, coumarinas, isoflavonides Existe evidencia de la acumulación de derivados de ácidos grasos en la interacción planta-microorganismo Oxilipinas: son sintetizadas enzimáticamente desde ácidos grasos poliinsaturados vía la LOX, citocromo P450 (RE) y por una dioxigenasa. Poseen actividad antimicrobiana y en la señalización (JA) Patatina de la papa actividad galactolipasa Mecanismos de tolerancia de los patógenos a las fitoalexinas y fitoanticipinas PROTEÍNAS PRs Proteínas inducibles que están implicadas en la defensa activa y pueden restringir el desarrollo del patógeno Comprenden 17 familias, numeradas de acuerdo al orden en que fueron halladas y a sus propiedades bioquímicas y biológicas comunes Poseen diferentes actividades y se encuentran también en distintas partes de la planta: hojas, estomas, tricomas, etc. Familia PR1 es fuertemente conservada en muchas plantas. En tabaco hay 16 PR1, en tomate hay varias. También pueden estar en la vacuola Arabidopsis 22 y arroz 39 . La sobreexpresión de las PRs incrementa la tolerancia de los patógenos Después de la infección con varios tipos de patógenos , genes de la defensa son activados en células infectadas y no infectadas Proteínas PR Hormonas y respuestas de defensa: óxido nítrico • NO es importante y requerido para la muerte celular inducida por ROS • Relación NO a H2O2 determina cuando la PCD es activada • La producción de NO es inducida en plantas por patógenos avirulentos y elicitores • NO modula expresión de algunos genes PRs y proteínas del metabolismo secundario • NO induce la movilización del Ca2+ intracelular Hormonas y respuestas de defensa: ácido salicílico • Es una de las moléculas señalizadoras clave que conduce a la resistencia frente a patógenos. Se encuentra involucrada en etapas tempranas y tardías de la HR. • Induce junto con JA y etileno la expresión de genes de defensa y cambios estructurales en tejidos. • Induce sistemas antioxidantes analogamente a lo que ocurre en condiciones de estrés oxidativo de origen abiótico. Compuestos y enzimas antioxidantes diversas: GSH, Asc, peroxidasas, catalasas, GSHS-Transferasas. • ROS y NO involucrados en pasos claves de la biosíntesis de SA El papel de NPR1 en la señalización por AS En respuesta a la aplicación de análogos de AS, el estado redox de la célula se vuelve oxidante, un tiempo luego de lo cual cambia hacia condiciones reductoras Pieterse & Van Loon (2004) Curr Op Plant Biol 7:456–464 Función citosólica de NPR1 Mecanismos de defensas activados por el patógeno Resistencia sistémica adquirida (SAR) 1960s Tabaco + TMV → ↑ resistencia en tejidos distales (SAR) patógenos que causan necrosis (HR o síntomas) activan SAR Tradicionalmente se creyó que el desarrollo de lesiones en el sitio de infección era indispensable para establecer la SAR. Recientemente se propuso que el reconocimiento de PAMPs cumple dicha función Características de la SAR: duradera en el tiempo Amplio espectro (bacterias, hongos, virus) Moléculas señal en la la SAR Si bien: 1) los niveles de AS aumentan en respuesta a la infección, tanto en forma local como sistémica 2) hay una movilización de AS hacia tejidos no infectados 3) el aumento sistémico de AS es necesario para la SAR esto no implica que la traslocación del AS sea indispensable para la puesta en marcha de la SAR Teniendo en cuenta que plantas incapaces de acumular AS en los tejidos infectados, aun son capaces de general una señal sistémica, entonces una molécula distinta al AS actúa como mensajero sistémico LTPs? Microestallidos oxidativos sistémicos SAR y ‘fitness’ Heil & Baldwin (2002) Trends Plant Sci 7:61-67 RESISTENCIA SISTÉMICA INDUCIDA Es la resistencia a diversos patógenos que se induce sistémicamente en la planta, cuando sus raíces son colonizadas por una rizobacteria no patogénica Las vías de señalización de la ISR son diferentes de las puestas en juego durante la SAR, aunque fenotípicamente son similares. Confiere resistencia efectiva contra un amplio espectro de patógenos. La ISR requiere de las vías del AJ y del etileno, pero no de la vía del AS. No aumentan los niveles de estas dos hormonas durante la ISR