Las plantas son organismos que están obligados a sobrevivir ante las condiciones que les plantea su entorno, y deben responder a tales situaciones para poder defenderse, crecer y reproducirse. Son varios los enfoques o estrategias que por sí solas o combinadas se pueden implementar para controlar plagas y enfermedades en los cultivos. Sin embargo, debido a las cada vez mayores restricciones de uso que enfrentan las moléculas químicas, por una parte, y al desarrollo de resistencia en plagas y enfermedades a los productos de síntesis, por otra, en la actualidad los agricultores están integrando en sus programas de control medidas de mediano plazo como son el control biológico, los biopesticidas y los inductores de resistencia. La dificultad está en que estos enfoques requieren de un conocimiento más profundo, tanto de la fisiología y el comportamiento de cada cultivo y su medioambiente, como de sus plagas y enfermedades.
Mecanismos de Defensa Vegetal
Defensas Constitutivas
La primera línea de defensa de una planta está preformada en sus células y no requiere ser activada, se la conoce como defensa constitutiva. Ejemplos son los tricomas, lo que supone una barrera física, y compuestos antimicrobianos como saponinas y anticipinas.
Defensas Inducibles: Una Alarma a Nivel Celular y Sistémico
Sin embargo, superada esta primera línea, se activa un segundo sistema de defensa, el que primero reconoce al patógeno a nivel celular, y luego emite una señal local, pero también sistémica, a nivel de toda planta. Esa alarma o señal está mediada por hormonas.
Reconocimiento del Patógeno: PTI y ETI
En la membrana plasmática de las células de la planta se encuentra una serie de receptores. Un ejemplo son las proteínas conocidas como flagelinas, capaces de detectar el flagelo de un patógeno bacteriano. Son proteínas específicas que interactúan con el patógeno y que, cuando lo reconocen, emiten una señal que ingresa a la célula para activar una serie de genes de defensa. Es lo que se llama el ‘PAMP triggered Inmunity’ o PTI (PAMP: pathogen associated molecular pattern/ patrones moleculares asociados a patógenos. PTI: inductor de inmunidad PAMP). Los receptores en la membrana celular pueden ser xilanasas, quitinasas (receptor de quitina), β-glucano (receptor de β-glucanos), entre otras.
Sin embargo, el proceso infeccioso puede no terminar ahí. Los patógenos han evolucionado junto con las plantas por lo que han desarrollado sistemas de supresión de las defensas vegetales. Naturalmente, como las plantas también han coevolucionado con sus plagas, a su vez han desarrollado mecanismos para reconocer las proteínas efectoras del patógeno, reconocimiento que activa un gen de resistencia. Estos genes interactúan directamente con las proteínas del patógeno activando nuevamente el sistema de reconocimiento y de defensa. Es lo que se llama Effector - triggered immunity (ETI: efector que induce inmunidad).
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El proceso descrito estimula la producción de las hormonas de defensa. Principalmente el ácido salicílico (AS), el jasmónico (AJ) y el etileno, compuestos que actúan local y sistémicamente, induciendo las rutas metabólicas de las que resultan las proteínas PR (Pathogenesis-related), las fitoalexinas, las defensinas, los inhibidores de proteínas, etc.
Hormonas Clave en la Defensa de las Plantas
Las principales hormonas de defensa son el ácido salicílico, el ácido jasmónico y el etileno. Posteriormente al descubrimiento de la ruta del AS se observó que, ante el ataque de algunas plagas, Pieris rapae (lepiddoptero), Frankliniella occidentalis (thrips) e incluso de algunas enfermedades, por ejemplo, Alternaria brassicicola (hongo necrotrófico), los niveles de AS no se elevan en la planta. Esto indica que no todos los patógenos o modelos de atacantes generan peaks de AS. Martin De Vos, en su laboratorio en Países Bajos, aplicó varias especies de patógenos e insectos a plantas de Arabidopsis y observó que, si bien los niveles de AS no se elevaban, sí subían los del ácido jasmónico.
Si una planta carece de AJ los insectos se alimentan de ella mucho más ávidamente y arrasan con los tejidos vegetales. O sea, sin AJ un cultivo tendrá muchos más problemas con plagas. En el laboratorio de León Reyes han experimentado con mutantes de Arabidopsis que no producen AJ, para comparar su respuesta con la de plantas normales, que sí producen AJ endógeno (no aplicadas). El AJ es importante, no solo porque protege contra el ataque se insectos y ácaros fitófagos, sino también porque induce en las plantas resistencia a enfermedades, específicamente respecto de patógenos necrotróficos, como son los hongos de los géneros Alternaria, Botrytis y Colletotrichum, entre otros.
Si bien las principales señales activadoras de defensas son el AS, el AJ y el etileno, las otras fitohormonas también están involucradas en el proceso actuando en una intrincada red de interacciones (auxinas, citoquininas, giberelinas, brasinoesteroides…). Por ejemplo, si se aplican citoquininas exógenas, también se induce algún grado de respuesta inmune e incide en el balance entre AS y AJ. Si aplica una giberelina, así mismo tendrá un impacto. El sistema funciona como una balanza, si se aplica mucho AS, se suprime al AJ y se provoca un desbalance entre las dos rutas de defensa y viceversa. O sea, si con frecuencia se aplica AS o elicitores de la ruta del AS, que son los más abundantes, se inhibirá la ruta del AJ y, potencialmente, se tendrá más problemas con patógenos necrotróficos e insectos. Por su parte, el ácido abscísico, la hormona del estrés abiótico, tiende a suprimir todas las rutas de defensa. El investigador precisa que es posible trabajar con AS y AJ o los elicitores de sus respectivas rutas, pero a bajas dosis. Razón por la que definir las dosis para cada compuesto es tan importante. A bajas dosis se puede inducir ambas rutas de defensa.
El Papel de los Elicitores en la Inducción de Resistencia
Los elicitores no cumplen un rol importante a nivel de las barreras físicas o defensas constitutivas, pese a que existe evidencia de compuestos que refuerzan -en cierta medida- la pared celular, como el silicio o los elicitores en base a calcio. Sin embargo, donde sí inciden significativamente es en la activación de las defensas químicas o inducibles, ya que la mayoría de los elicitores actúan en los puntos de inducción o de inmunidad inducible.
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Tipos de Elicitores
Los elicitores químicos son moléculas de bajo peso molecular que inducen o desencadenan respuestas en cascada del sistema inmune de las plantas, las que involucran a una gran cantidad de genes. Los principales elicitores exógenos que se han estudiado no son específicos y varían mucho desde el punto de vista químico. Pueden ser proteínas, oligosacáridos o lípidos. Por ejemplo, ácido salicílico (AS), ácido jasmónico (jasmonato, AJ), quitosano (CHT), quitina, flagelinas, derivados de patógenos. Se conocen o se han descrito muchos elicitores de la ruta del ácido salicílico y muy pocos elicitores de la ruta del ácido jasmónico.
Los microorganismos elicitores son cada vez más populares en las prácticas agrícolas. Ejemplos de microorganismos asociados a defensas biológicas de las plantas son especies o cepas de los géneros Trichoderma y Bacillus. Estos organismos benéficos son comúnmente utilizados en agricultura para mejorar la nutrición de las plantas o inhibir el desarrollo de algunas plagas, pero, además, algunas cepas de estos hongos están entre los microorganismos que pueden elicitar e inducir resistencia en los cultivos.
Intentamos comprender por qué un bioestimulante o un controlador biológico funciona en un huerto, pero en otro no, aunque las condiciones sean similares. Ahora sabemos que el fundamento de eso está en las interacciones que pueden establecer las plantas con los microorganismos a su alrededor. Los microorganismos del entorno modulan la respuesta. Es decir, si aplico un elicitor en una zona de cultivo y luego lo aplico en otra zona de cultivo, aun siendo la misma variedad, en la misma etapa de crecimiento, usando la misma dosis y frecuencia de aplicación, la respuesta puede no ser consistente.
Al aplicar un elicitor o directamente ácido salicílico se activa la ruta del AS, se induce la defensa y se reducen las infecciones de ciertos patógenos. Hay varias moléculas que pueden activar dicha ruta metabólica. Está probado que el AS es un compuesto central en la inmunidad vegetal y en las rutas de defensas inducibles. Hoy existen productos elicitores que pueden ser aplicados a los cultivos vía foliar o vía suelo, de modo de preparar a las plantas para un estrés. Cuando a una planta le aplicamos una molécula elicitora y luego le inoculamos un patógeno y comparamos el resultado con una planta testigo inoculada, pero no tratada con el compuesto, está visto que podemos reducir el grado de infección de varias enfermedades.
Sin embargo, el investigador advierte que si bien la severidad del ataque y las lesiones se reducen, este mecanismo no es capaz de eliminarlas completamente. Es decir, los elicitores, como herramienta fitosanitaria, debieran funcionar como apoyo a otras estrategias, pero no son una opción que por sí sola elimine del todo a los patógenos o a las plagas.
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Los potenciales compuestos que se podrían desarrollar como herramienta fitosanitaria para elicitar no solo se encuentran entre las moléculas sintéticas, sino que también pueden ser moléculas orgánicas derivadas de lípidos, extractos bacterianos, proteínas, etc. Sin embargo, trabajar con elicitores es difícil porque cada compuesto funciona solo para ciertos problemas y solo en ciertas especies vegetales. La respuesta dependerá de cada especie vegetal o, incluso, de la variedad.
Resistencia Sistémica Adquirida (SAR) vs. Resistencia Sistémica Inducida (ISR)
En la naturaleza, las plantas no solo reaccionan. Aprenden, recuerdan y responden, y lo hacen a través de sistemas inmunológicos extraordinariamente complejos. Dos de los más importantes son la Resistencia Sistémica Adquirida (SAR) y la Resistencia Sistémica Inducida por Microorganismos (ISR). Ambas rutas activan mecanismos complementarios. Este tipo de activación dual no ocurre por casualidad. Cuando una planta activa ISR y SAR al mismo tiempo, no solo se defiende, se entrena.
Las respuestas secundarias preparan a los tejidos y órganos para defenderse de un proceso infectivo. Tales reacciones comprenden una elevación de los niveles de toxinas defensivas y de reforzamiento estructural de las paredes celulares de los tejidos, lo que se conoce como “resistencia sistémica adquirida” (SAR) o “resistencia sistémica inducida” (ISR).
Se evidenció cuando al infectar con un virus una hoja en la parte baja de una planta, se generó cierto nivel de daño, pero luego de unos días, cuando se inoculó el virus en una hoja en la parte alta de la planta, se observó que el nivel de daño era significativamente menor. Es decir, además de los procesos intracelulares antes descritos (PTI, ETI, etc.), se producen fitohormonas que junto a otras señales móviles inducen, principalmente, la activación de la ruta metabólica del ácido salicílico o la del ácido jasmónico, induciendo por esas vías la respuesta defensiva en lugares de la planta alejados de la infección original.
Resistencia Sistémica Adquirida (SAR)
La SAR se activa local y sistémicamente tras la infección de la planta por patógenos que producen necrosis (virus, bacteria u hongos). La planta adquiere una resistencia de amplio espectro, es decir, que confiere resistencia no sólo al patógeno que la ha activado sino también a otros patógenos. La SAR es duradera, activándose durante días o semanas en condiciones tanto naturales como de laboratorio. El SAR, en cambio, activa a la planta y esta de inmediato comienza a gastar sus recursos en la defensa, llegue o no el patógeno o el estrés, por lo que incide en su crecimiento.
Resistencia Sistémica Inducida (ISR)
Muchos saben lo que es el SAR, pero pocos saben lo que es el ISR o resistencia sistémica inducida. El ISR también induce una respuesta inmune distal o sistémica, pero muy distinta al SAR ya que es provocada por ciertos microorganismos. La ISR se activa por determinadas cepas bacterianas del suelo llamadas rizobacterias saprófitas, que son capaces de colonizar las raíces de las plantas. Al igual que la SAR, la ISR es una resistencia sistémica de amplio espectro (puede conferir protección frente a bacterias, hongos y algunos virus) y duradera en condiciones de laboratorio y campo. Se han identificado diferentes cepas bacterianas de la rizósfera que son capaces de activar la ISR en campo principalmente en la etapa de desarrollo como son: Bacillus pumilus, B. subtilis, Pseudomonas fluorescens. A diferencia del SAR, el ISR no tiene costo energético. No solo se puede preparar a la planta contra un ataque mediante microorganismos, sino que -también- mediante moléculas elicitoras a bajas dosis. Es decir, la planta se prepara, pero sin activar su sistema de defensa.
En el laboratorio de León Reyes han trabajado con cepas de Trichoderma que inducen resistencia, aunque también hay cepas que no generan respuesta. Hemos desarrollado la capacidad de inducir la respuesta SAR, con patógenos y distintas moléculas.
En nuestro laboratorio hemos comparado la efectividad de ambos mecanismos y ha resultado que son bastante equivalentes en cuanto a los problemas sobre los que actúan. A continuación, se presenta una tabla que resume la efectividad de SAR e ISR contra diversos patógenos:
| Patógeno | Tipo de Patógeno | SAR | ISR |
|---|---|---|---|
| Peronospora parasitica | Oomycete | Sí | Sí |
| Pseudomonas syringae | Bacteria | Sí | Sí |
| Xanthomonas campestris | Bacteria | Sí | Sí |
| Fusarium oxysporum | Hongo | Sí | Sí |
| Spodoptera exigua | Insecto | Sí | Sí |
| Alternaria brassicola | Hongo | No | Sí |
| Botrytis cinerea | Hongo | No | Sí |
| Turnip crinkle virus | Virus | Sí | No |
| Pieris rapae | Insecto | No | No |
El Costo Fisiológico de la Defensa Vegetal
La defensa de la planta mediante la activación de su sistema inmune tiene un costo fisiológico y a nivel de la producción de biomasa. Ahora se da gran importancia a la relación entre defensa y crecimiento de la planta. Sabemos que no se puede exagerar la dosis o aplicar elicitores por si acaso porque puede incidir negativamente a nivel productivo. Particularmente, trabajar con dosis altas de elicitores tendrá un costo productivo importante. A nivel de comercializadores de insumos está la tentación de recomendar dosis altas o aplicaciones más frecuentes, para empujar la venta de productos, y -claro que la planta se va a defender-, pero pagando un alto costo en lo que respecta al crecimiento o por la inhibición de otras rutas metabólicas, lo que generará susceptibilidad a otros problemas. Es decir, si bien un compuesto puede cumplir con el objetivo de inducir resistencia contra un determinado patógeno, por otro lado, su uso inadecuado puede inducir susceptibilidad a, por ejemplo, una especie diferente de patógeno, lo que refuerza la idea de que se debe conocer muy bien al compuesto y las condiciones en que se aplica.
Otro mecanismo importante en lo que respecta a los elicitores es la respuesta hipersensitiva. En este caso, cuando ingresa un patógeno biotrófico (que se alimenta de tejido vivo), en vez de elicitar a toda la planta, un receptor reconoce que es biotrófico y actúa destruyendo solo las células infectadas. Cuando ingresa el patógeno y la planta elicita moléculas llamadas ‘especies reactivas de oxígeno’ (ROS: H2O2) que sacrifican a las células infectadas para detener al patógeno.