Conocer los genes de defensa de las plantas para la mejora sostenible de la agricultura

Por: José Luis Caballero

(sebbm.es)

Las plantas necesitan defenderse de organismos que las depredan y perjudican. Para ello, disponen de un arsenal de moléculas y estructuras celulares con capacidad defensiva que, permiten detener la invasión de la mayoría de agentes patógenos. Muchas de estas defensas se encuentran ya presentes cuando sus tejidos y células son atacados. Otras son rápidamente fabricadas como consecuencia de señales de alerta, que se transmiten desde la superficie de las células atacadas a su “centro logístico de coordinación de tareas”, el núcleo, donde se encuentran los cromosomas, y conducen a la activación de genes específicos para la defensa, a la vez que provoca una reprogramación del metabolismo celular, optimizándolo para responder al desafío del invasor. Muchas plantas han evolucionado mediante selección natural [1], conservando unos genes que codifican proteínas capaces de reconocer a determinados patógenos de manera muy específica (genes R o de resistencia) [2]. Por ello son capaces de transmitir la señal de alarma y organizar el sistema de defensa en la planta con tal rapidez y eficacia que les permite detener el desarrollo del patógeno o, incluso, eliminarlo. Sin embargo, muchos patógenos también han sido capaces de evolucionar, evitando o anulando este reconocimiento específico por parte de la planta y su sistema de defensa, por lo que finalmente pueden invadirla.

Desde su origen, la agricultura se ha centrado principalmente en obtener poblaciones de plantas (variedades) con características que fuesen beneficiosas, ya sea desde el punto de vista alimenticio, o de la salud, o el económico. El mantenimiento de estas características de interés en una variedad y en sucesivas generaciones de la misma, implica un proceso denominado selección artificial, en el que el hombre interfiere directamente. Esta selección artificial está basada en las características que las plantas manifiestan al medio que las rodea (fenotipo) y pueden, de algún modo, ser detectadas por el hombre (ej. la forma, el tamaño, el color o el sabor, etc. que la planta muestra como consecuencia de su composición génica o genotipo). La selección artificial procede a una velocidad mayor que la selección natural. Si bien la mejora de plantas se ha practicado desde hace miles de años, la selección artificial de los individuos de mayor interés ha provocado que el material genético de una planta cultivada llegue a ser muy diferente al de sus antecesores (ej. la fresa). Esto ha permitido la obtención de variedades de plantas que, o bien no contienen genes R de resistencia apropiados, o contienen “fallos” en la respuesta de defensa frente a la infección de determinados patógenos. La fresa es una planta de enorme importancia a nivel mundial por las características culinarias del fruto y por sus propiedades saludables para el consumo humano, pues es rico en sales minerales, vitaminas A, B, C y D, polifenoles y otros compuestos antioxidantes. La fresa cultivada (Fragaria x ananassa) es una especie octoploide. Es decir, posee ocho juegos de cromosomas y es consecuencia de un cruzamiento artificial y posterior selección para tamaño y sabor, a partir de las especies F. virginiana (notable por su sabor) y F. chiloensis (notable por su tamaño) [3]. Ninguna de las variedades de fresa que se comercializan actualmente son realmente resistentes a muchos de los patógenos que las atacan, por lo que gran parte de las cosechas se pierde por ataque de los mismos que impide su comercialización. Conocer cuáles son los genes R y los genes que se activan/desactivan en respuesta a patógenos es muy importante para la fresa u otras variedades de plantas de interés agroalimentario, ya que este conocimiento puede permitir, mediante ingeniería genética, modificarla de manera muy específica y dirigida, para hacerla más resistente. Asimismo, es importante que esta modificación genética se realizara sobre un único gen o grupo de genes concreto, a diferencia de la mejora mediante un cruzamiento clásico tradicional, donde se desconocería qué genes o combinación de genes implicados en la resistencia se seleccionan. Además, el proceso de selección tradicional puede conducir a la pérdida de otros caracteres agronómicos de interés. Más aún, en el caso de fresa, la selección artificial para resistencia por cruzamiento clásico es inviable, ya que las variedades cultivadas son octoploides, y a ella podrían contribuir múltiples loci distribuidos en los diferentes subgenomas.

Actualmente existen tecnologías génicas, como por ej. el uso de microarrays o la secuenciación masiva de RNA (RNAseq) [4], que permiten conocer cuántos y qué genes de la planta podrían estar involucrados en organizar una respuesta de defensa eficiente frente a un patógeno particular. Una vez identificados dichos genes, tecnologías de silenciamiento génico [5] permiten ver el efecto que produce en la planta la inactivación total o parcial de dicho gen, previo a la infección del patógeno (¿será la planta más o menos resistente?). También se puede determinar el efecto que tiene que el gen esté siempre activo (sobreexpresión génica) antes de que el patógeno trate de infectar la planta (¿estará la planta mejor o peor preparada para defenderse cuando el patógeno llegue?). Se pueden realizar ambos estudios introduciendo el gen identificado en plásmidos artificiales derivados del plásmido-Ti procedente de la bacteria Agrobacterium tumefaciens, capaz de transferir genes a plantas [6]. En general, esta técnica involucra el cultivo de células o tejidos de la planta en el laboratorio, dado que la transferencia de genes se realiza sólo a algunas células de la planta. A partir de estas células transformadas se regeneran plantas completas (plantas transgénicas), que llevan los genes transferidos de manera estable, los expresan y los transmiten a la descendencia para realizar los experimentos de susceptibilidad al patógeno. No obstante, el proceso descrito anteriormente es largo. Para poder conocer rápidamente la función de un gen, a menudo se utilizan técnicas de “transformación y expresión temporal del gen” en un tejido u órgano particular de la planta. En fresa, el fruto es un órgano ideal para este fin (Figura 1).

Así, células de A. tumefaciens portando el plásmido con el gen de interés se pueden infiltrar en el tejido del fruto, mediante inyección, para transferir el gen a las células de fresa. Esta transferencia permite observar si las células del fruto que han recibido el gen (transgen) y lo expresan manifiestan mayor o menor resistencia a una infección. Una vez conocida la función del gen, el paso siguiente es modificar genéticamente la planta, sobreexpresando o silenciando de forma estable el gen beneficioso para que pueda aportarle definitivamente una mayor resistencia a un patógeno, u otro carácter de interés agronómico. Las plantas transgénicas así obtenidas se pueden incluir luego en planes de mejora tradicional a través de reproducción sexual para transferir los genes de interés a variedades de alto rendimiento.