La peor pesadilla de un agricultor podría ser que su plantación fuese arrasada por una enfermedad. Algo que perfectamente puede suceder. Conocedora de esa pesadilla, Selena Giménez-Ibáñez, investigadora del Centro Nacional de Biotecnología (CNB-CSIC) de España, trabaja en desentrañar todos los trucos que usan los patógenos para atacar a las plantas, de modo de dar con la solución más eficaz. Hoy lo está haciendo desde la Universidad de Warwick, en el Reino Unido y España, con el objetivo de transferir sus resultados al campo y a las especies que presentan mayor interés económico en todo el mundo.
Todavía pasarán unos años o quizás décadas antes de comprender y desentrañar completamente los mecanismos moleculares de las infecciones en los cultivos agrícolas. Sin embargo, y a pesar de que este tipo de estudios ha cumplido poco más de una década de desarrollo, ya ha habido una serie de descubrimientos que han sido trascendentales en esta área. Algunos de los más recientes provienen de la investigadora del Centro Nacional de Biotecnología (CNB-CSIC), Selena Giménez-Ibáñez, una ingeniera agrónomo que se ha especializado en fitopatología vegetal y mecanismos de resistencia de las plantas y ha centrado su trabajo en los mecanismos de defensa contra las diferentes bacterias que las atacan.
Éstas no han sido las únicas líneas de trabajo que ha desarrollado, ya que también se ha propuesto esclarecer cuáles son las vías que usan ciertas bacterias patógenas para ir infectando a las plantas, siempre con la intención de que sus estudios no queden en ‘papers’, sino que sean transferidos a aquellas especies agronómicas de mayor importancia económica en todo el mundo.
Eso es lo que está haciendo en el laboratorio que dirige el Dr. Vardis Ntoulakis, en la Universidad de Warwick, en el Reino Unido. Y está allí tras haber logrado una de las prestigiosas becas internacionales del programa Unesco-L’Oréal for Women in Science, que le permitirá seguir estudiando nuevas áreas de fitopatología en colaboración con el CNB-CSIC.
CARACTERIZACIÓN DEL SISTEMA INMUNE DE LAS PLANTAS
Entre los logros más relevantes de la investigadora española destaca su contribución a la caracterización del sistema inmune de las plantas, llamado sistema inmune basal, así como los mecanismos que usan las bacterias fitopatógenas para suprimir dicho sistema inmune con el fin de promover la infección.
Para entenderlo de forma simple, el sistema inmune de los humanos se basa en anticuerpos que se van desarrollando conforme aparecen nuevos microbios. “Es dinámico y va evolucionando rápidamente y si aparece un microbio, el cuerpo desarrolla un anticuerpo específico para esa especie de microorganismo y una persona lo conservará para siempre. Es decir, cuanto más en contacto estamos con los microbios, más se aprende de ellos y más fuertes son las personas”, explica Giménez-Ibáñez. De ahí viene la recomendación de que a los niños hay que tenerlos limpios, pero también se les debe permitir que tengan contacto con la tierra y con los animales, porque es así como establecen contacto con los microbios y es eso lo que les permitirá tener un sistema inmune más fuerte.
“Las plantas no tienen nada de eso”, sostiene la experta. “No tienen un sistema inmune adaptativo ni tampoco anticuerpos que aparecen contra los microbios que las van rodeando. Lo que tienen son unos 600 receptores que detectan todo, como si fuesen ojos encargados de ver qué es lo que ocurre fuera y de responder adecuadamente a cada estímulo”, continúa. Entonces, la planta que está anclada en el suelo debe leer muy bien quién se le está aproximando para adaptarse a esa situación y ser lo más fuerte posible. “Son estos 600 receptores los que les permiten percibir si lo que tienen en la superficie es un hongo, un virus o un bacteria; es decir, sentir qué es lo que está pasando en el exterior. En definitiva, todo eso hace que la célula deba adaptarse para estar en la mejor situación posible”, explica la investigadora.
UN CAMBIO DE ENFOQUE
Esto es un cambio sustancial porque quiere decir que las plantas no pueden generar nada nuevo y deben arreglárselas con lo que tienen. De esa forma deben luchar contra todo lo que les rodea, que en el fondo son miles y miles de microorganismos. “Pensar que esos recetores son capaces de verlo todo de forma específica, es algo bastante sorprendente”, afirma la especialista. El punto de partida ocurrió cuando el laboratorio de Thomas Boller, en el año 2000, identificó el primer receptor en plantas (FLS2) que percibe la flagelina, comprobándose además un poco después que esa percepción a través del receptor hacía a las plantas más resistentes a la enfermedad.
De ahí en adelante se fueron descubriendo otros como aquellos que perciben los lipopolisacaridos de la pared de las bacterias o la quitina de los hongos. “Por aquel entonces descubrimos que uno de esos receptores llamado CERK1, estaba envuelto en la percepción de bacterias”, recuerda la investigadora. Esto que parecía algo muy lejano, ha dado paso en un muy corto tiempo al desarrollo de líneas de trabajo aplicadas muy interesantes. Por ejemplo, no todas las plantas tienen los mismos receptores. “A medida que se han ido identificando se han ido transfiriendo a plantas de interés agronómico como el tomate y recientemente a trigo y arroz por parte de los laboratorios pioneros de Cyril Zifel y Pamela Ronald. Este es un aspecto relevante porque los receptores sólo activan las defensas de las plantas cuando detectan la presencia del microbio. No pasa lo mismo con aquellas estrategias que se usaban antes, que incluían genes en las plantas y éstas siempre tenían sus defensas activadas”, explica.
Eso significa que la forma de ayudar a luchar de las plantas ha cambiado. Si hubiese que trazar un símil con una persona enferma, su enfermedad estará presente todos los días y esta persona estará luchando aun cuando la enfermedad vaya desapareciendo, con el resultado de que su cuerpo estará cada vez más cansado. Hasta hace unos años, la situación era exactamente la misma con las plantas, porque cuando se le introducía algún gen resistente a un determinado patógeno, las plantas no crecían al tamaño deseado porque estaban gastando toda su energía contra algo que aún no había llegado o se había ido. “Con los receptores pasa lo contrario porque se activan sólo cuando detectan la presencia del microbio y se desactivan cuando no está. Eso les permite actuar mucho mejor cuando está presente el patógeno y dejan de actuar mucho más rápido cuando no tienen nada que hacer”, explica la especialista.
LA RUTA HORMONAL DE DEFENSA DE LAS PLANTAS Y LAS ARMAS QUE LOS MICROBIOS USAN PARA INFECTAR
Tras comprender cómo funcionan los receptores en las plantas, Selena Giménez-Ibáñez se ha especializado en los últimos años en el estudio de una de las principales vías hormonales de defensa en plantas, la ruta de los jasmonatos. “Esta ruta hormonal controla una gran cantidad de características importantes agronómicamente, como el desarrollo y crecimiento de la planta, así como también las defensas. Si podemos entender cómo funciona esta ruta, podremos aplicar dicho conocimiento en múltiples direcciones”, explica. Para ello Selena está estudiando como la epigenética, un campo muy
novedoso dentro de la genética, modula las respuestas defensivas dependientes de esta ruta hormonal. “Hace unos años había la creencia de que la genética lo determinaba todo, pero se ha demostrado que no es tan sencillo, ya que el ambiente en el que vivimos, lo que nos rodea e incluso los mismísimos microbios, van poniendo marcas en el ADN, es decir, se va modulando la genética de las personas de forma cualitativa y cuantitativa”, añade. En los humanos esta es un área de estudio donde se ha avanzado mucho, pero la intención de la investigadora es poder demostrarlo también en las plantas.
Además de estudiar cómo las plantas activan sus defensas frente a diferentes patógenos, Giménez-Ibáñez también ha estudiado el comportamiento de estos últimos. “Tienen diferentes armas que emplean para atacar a las plantas”, afirma la especialista. “Son increíbles ya que tienen la capacidad de cambiar muy rápidamente”, añade. Lo que hace la mayoría de los patógenos es que a medida de que se van acercando a las plantas, van introduciendo proteínas bacterianas cuyo efecto es suprimir ciertos elementos para dejar al organismo paralizado y poder así infectar a sus anchas. Concretamente, los patógenos con los que trabaja Giménez-Ibáñez son capaces de introducir unas treinta proteínas bacterianas de las que no se conoce mucho su modo de acción. Y es importante entender qué es lo que están haciendo dentro de la planta, ya que cuando se tenga esa respuesta se sabrá exactamente qué es lo que necesitan de la planta y quizás lo más importante, qué parte de la planta es la que se debe proteger.
YA TIENEN ALGUNAS RESPUESTAS
A día de hoy se conocen algunos aspectos. En 2009 la investigadora junto a otros especialistas publicó que estas proteínas bacterianas destrozan a los receptores de la membrana y deja a la planta ‘ciega’ porque ésta no puede ver qué es lo que está pasando fuera y, de este modo podrán infectar a diferentes cultivos agrícolas. “Recientemente hemos comprobado que las proteínas bacterianas manipulan las rutas hormonales, que son básicas para montar todo el desarrollo, el comportamiento y las defensas de las plantas. Es decir, las proteínas bacterianas tienen la capacidad de alterar las hormonas de las plantas. De esta forma, las plantas no son capaces de reaccionar tan rápidamente y eso les da un tiempo muy preciado para poder infectarlas mucho mejor”.
Para contraatacar lo anterior, los investigadores pueden proteger esos puntos. Hoy saben cómo interaccionan esas proteínas bacterianas con las proteínas de la planta, “por lo tanto debemos cambiar esos puntos por donde interaccionan, de manera que esta ya no sea capaz de interaccionar. O podemos diseñar una molécula que tape y proteja a la planta que intenta atacar, de manera que cuando entre el patógeno este no logre hacerlo”, precisa. Así, han ido surgiendo estrategias diferentes, por ejemplo, la investigadora Ulla Bonas descubrió que una de esas proteínas bacterianas se iba al núcleo, se posaba sobre el ADN y activaba los genes que le hacían falta a esa bacteria para poder infectar a la planta. Lo que hizo fue coger la proteína del patógeno y le cambió su ruta, de manera de direccionarla a otro sitio donde se activaba otro gen que era capaz de matar al patógeno. “Este es un gran ejemplo de cómo lo que vamos descubriendo puede aplicarse y volverse contra el propio patógeno” dice la investigadora.
Giménez-Ibáñez trabaja con la bacteria Pseudomona syringae, que ataca y causa graves daños a los cultivos de tomate. Trabajando con la planta modelo Arabidopsis thaliana la experta ha consiguiendo entender cómo los efectores de este microbio logran promover la infección. “El Dr. Vardis Ntoukakis y yo estamos teniendo resultados mucho más interesantes de lo que pensábamos”, cuenta. Y es que ella, además tenía expectativas de conocer cuál es la función que realizan los efectores en un órgano tan importante como el núcleo de las plantas, donde se guarda el código genético y todo lo que la planta es. “Nuestra hipótesis es que uno de los lugares donde los microbios querían acceder y manipular con más probabilidad sería el núcleo. Hemos visto que es así”, sostiene. Ahora les resta descifrar qué es exactamente lo que estos efectores, mandados al núcleo, hacen allí. “Estamos deseando ver qué nuevos mecanismos de manipulación nos enseña este patógeno, que nuca nos deja de sorprender”, dice la investigadora, quien espera que estos resultados permitan diseñar líneas de transferencia bastante interesantes en cultivo de importancia agronómica. Específicamente, hoy están enfocados en la aplicabilidad a tomate, papa y tabaco.
LOS CULTIVOS TRANSGÉNICOS PUEDEN SER DE GRAN AYUDA
Pero, ¿cómo es posible la transferencia a especies agronómicas? “Lo primero es identificar qué mecanismos son necesarios para la defensa. Una vez identificados estos mecanismos o genes específicos (por ejemplo, un receptor) debemos introducirlo o cambiarlo en la especie agronómica de interés”, responde. La primera forma de lograrlo es usar la genética clásica para buscar las variaciones que se desea en colecciones naturales. “La usamos para encontrar el gen que queremos con las modificaciones que queremos. Es un trabajo que se puede desarrollar, por ejemplo, con todas las variedades de tomate que hay en el planeta”, explica. Es decir, el trabajo se puede realizar con variedades que crecen en Los Alpes o en medio del desierto, y que están habituadas a condiciones mucho más extremas, para las cuales se trata de encontrar resistencias.
La segunda forma es mediante la introducción dirigida por ingeniería genética. Es decir, una de las formas de conseguirlo es a través del uso de cultivos transgénicos, a pesar de que hoy en Europa existe una posición muy resistente frente a ellos. “A día de hoy, tratamos de aplicar nuestras investigaciones para hacer variedades que solucionen problemas importantes, tanto en nuestro continente como en países en vías de desarrollo”, apunta la experta, que está a favor de su uso en la agricultura, básicamente porque con esta técnica se consigue solucionar problemas específicos que afectan a los cultivos agrícolas y que en algunos casos provocan importantes pérdidas productivas, sin contar los daños económicos que eso pueden acarrear a los agricultores. Por eso es que hoy la investigadora trabaja con plantas de interés comercial en prácticamente todo el mundo como son tomate, papa y tabaco, y tiene la intención de ampliar su abanico de especies muy pronto.
“Las plantas que expresan genes de resistencia están usadas a un nivel muy extendido en el campo, sobre todo en EEUU y Sudamérica. Creo que las plantas transgénicas son una herramienta muy buena que ayudarán a solucionar muchos problemas porque en el último siglo se ha tendido a abusar de los productos químicos, con lo cual los suelos están muy contaminados, al igual que las aguas subterráneas”, explica Giménez-Ibáñez e insiste en que se debe ir hacia una agricultura mucho más limpia, sostenible y libre de productos químicos. “Además se debe alimentar grandes poblaciones y hacer un equilibrio entre lo que necesitamos y aquello que podemos combatir lo mejor posible. Los cultivos transgénicos son totalmente seguros y la herramienta más valiosa que tenemos actualmente para asegurar una agricultura más verde y más sostenible, pero que al mismo tiempo permita alimentar a la creciente población. El asegurar alimentos para todos, siendo más respetuosos con el medio ambiente, podrá lograse a través de los cultivos transgénicos dirigidos a solucionar problemas específicos en lugares específicos”, finaliza.