Muerte celular programada en plantas frente al ataque por patógenos

Diego Francisco Romero Hinojosa

Las plantas, al igual que los animales, no se comportan como hospedadores pasivos frente a los microorganismos con los que interactúa, sino que se defienden con todo un arsenal de mecanismos de defensa, clasificados en pasivos o preexistentes, en los que se incluyen barreras estructurales (cutícula, reservorios de compuestos antimicrobianos localizados estratégicamente) y activos, los cuales se dan en respuesta a un patógeno invasor y que requieren del metabolismo del hospedador. Estos mecanismos de defensa activos son inducidos por todo tipo de patógenos, y dentro de ellos se habla de respuestas primarias las cuales normalmente terminan en muerte celular programada o apoptosis, respuestas secundarias las cuales son inducidas por moléculas señal o elicitors, y finalmente la conocida como resistencia sistémica adquirida (SAR en terminología inglesa) inducida hormonalmente (Hutcheson S.W. 1998. Annu.Rev.Phytopathol. 36: 59-90). La interacción de un patógeno con un hospedador conduce a la disrupción de la homeostasis celular del hospedador, y a menudo termina en muerte celular, tanto en interacciones compatibles como incompatibles (Ver Encuentros en Biología nº 13, 1994).

La resistencia del hospedador a tales patógenos, dependerá en gran medida de la capacidad de la planta de reconocer al patógeno en una fase temprana de la infección, donde la célula del hospedador está en íntima relación con el patógeno, y que implica el reconocimiento de moléculas señal del patógeno por el hospedador (interacción gen-gen) lo que normalmente termina en una forma de muerte celular programada.

Han sido muchos los esfuerzos y trabajos de diferentes grupos de investigación, en los últimos años, encaminados a esclarecer los mecanismos celulares, bioquímicos, genéticos, etc., asociados a este interesante proceso de muerte celular. La muerte celular es un proceso localizado generalmente en pocas células y no sincronizado, lo cual dificulta la detección de marcadores de tal proceso en las células. Sin embargo, la muerte celular programada inducida por patógeno se manifiesta macroscópicamente en la conocida respuesta de hipersensibilidad (HR, propia de interacciones incompatibles), proceso que requiere del metabolismo activo de la planta así como de la actividad de la maquinaria transcripcional de la misma. Marcadores de resistencia expresados por las células que sufren muerte celular durante la HR, son proteínas relacionadas con la patogénesis (Ver Encuentros en la Biología nº 14, 1994), generación de especies reactivas de oxígeno (EROs), influjo rápido de calcio, producción de fitoalexinas y reforzamiento de la pared celular, fenómenos encaminados a bloquear el avance del patógeno. Sin embargo no queda muy claro que la muerte celular constituida por HR, permita la resistencia a la enfermedad impidiendo la toma de nutrientes por parte del patógeno o liberando compuestos microbicidas de células muertas (Gilchrist D.G. 1998. Annu.Rev.Phytopathol. 36:393-414).

Las lesiones HR se forman específicamente en el sitio de la infección del patógeno y terminan dentro de un discreto límite. Existen mutantes de muerte celular, los cuales son capaces de formar parches de muerte celular en ausencia de patógeno, similares a aquéllos inducidos por un patógeno en la planta, siendo éstos importantes ya que

pueden definir genes implicados en resistencia a enfermedad. Muchos de tales mutantes expresan marcadores moleculares e histoquímicos asociados con respuestas de resistencia. Entre estos mutantes se distingen los de iniciación que forman lesiones en localizaciones inapropiadas (apuntando a que algún paso temprano en la ruta de HR funciona mal) y los de propagación, incapaces de detener la extensión de la lesión después de que ésta se haya iniciado (indicando que en el fenotipo salvaje, en la formación de HR, se generan señales que pueden inducir muerte de células vecinas) .

Estos mutantes apuntan a que el sitio HR implica a un número particular de células, y que un segundo sistema inhibe su expansión. Mutantes de este tipo además nos permiten definir genes que pueden actuar como señales reguladoras negativas en el control de HR. Por ejemplo, mutantes lsd ( lesiones que simulan resistencia a enfermedad) en Arabidopsis, como el recesivo lsd1 de propagación, que forma lesiones en respuesta a bajos niveles de patógeno así como a ácido salicílico (inductor de resistencia sistémica adquirida), o mutantes acd1 los cuales producen lesiones además en respuesta a estrés abiótico o mecánico, (las plantas salvajes expresan fenotipo HR solo cuando son inoculadas con cepas avirulentas del patógeno), proporcinan información sobre la función no redundante de estos dos loci en el fenotipo salvaje.

Otro ejemplo es el gen mlo que en cebada confiere resistencia a todas las razas conocidas de Erysiphe graminis, (sin afectar a la susceptibilidad de ésta a otros hongos no erisifales), dirigiendo la formación de aposición. En plantas mutantes de este gen, el engrosamiento de la pared celular ocurre en ausencia de patógeno, con características similares al producido durante la interacción con el patógeno, lo cual pone de manifiesto una interacción del producto de este gen con otros factores celulares. Estos y otros mutantes reflejan la existencia de un conjunto de vías que controlan la muerte celular, y han permitido dilucidar el mecanismo y la transducción de señales en resistencia a enfermedad y HR.

El empleo de líneas transgénicas con fenotipos de muerte celular alterada es igualmente una herramienta útil para poner de manifiesto eventos que ocurren durante una HR normal (Dangl et al. 1996. The Plant Cell 8: 1793-1807). En su interacción con el patógeno, las células de la planta producen especies reactivas de oxígeno (EROs) las cuáles tienen un papel clave en la muerte celular programada en la HR. Sin embargo, existen dudas sobre el papel de estos intermediarios, (si matan a células del patógeno, hospedador o a ambos tipos, o si actúan como señales para la activación de una vía de muerte celular independiente). Ya en 1983 Doke informa de la producción de oxígeno reactivo en tejidos de patata infectados con una raza incompatible de Phytophthora infestans y desde entonces ha habido un gran esfuerzo por estudiar a tales compuestos, su producción, acción, regulación…Así se sabe que estas EROs están presentes en el metabolismo normal de las células de la planta resultando tóxica su acumulación, requiriéndose de la existencia de mecanismos que realicen su detoxificación (peroxidasas, superóxido dismutasa, catalasas, etc.) en ausencia de patógenos; situación que también se da en células animales.

En las interacciones patógeno-planta, está bien establecida la participación de algunos de tales compuestos, como por ejemplo, la implicación del H2O2 en la formación de lignina y consiguiente endurecimiento de la pared celular. En cuanto a su función durante la HR, es sabido que el H2O2 activa genes antioxidantes en tejidos adyacentes, indicando que esta molécula dispara sistemas protectores celulares endógenos del hospedador, limitando el tamaño de la lesión. Sistemas in vivo que expresan H2O2 en apoplasto de patata mejoran la resistencia a Erwinia y Phytophthora, sin embargo, queda sin establecer si H2O2 es responsable directo o actúa como señal que incrementa respuesta de defensa. (Baker et al . 1995. Annu.Rev.Phytopathol. 33: 299-321)

Todos estos estudios en su conjunto permiten proponer modelos en los que se refleja los eventos que de forma ordenada en el tiempo conducen a la activación de muerte celular y resistencia a enfermedad. No obstante existe desacuerdo a la hora de situar algunos de estos procesos, así por ejemplo algunos autores sugieren que el reconocimiento del patógeno mediado por genes de resistencia conduce a eventos de transducción de señal rápidos ( influjo de calcio, intercambio de H+ por K+, apertura de canales aniónicos como de ión cloruro), que llevan a la formación y reconocimiento de EROs, biosíntesis de fitoalexinas e inducción del resto de los elementos de defensa, mientras que otros sitúan la producción de EROs en un momento más inicial, antes del intercambio iónico. (Dangl et al.1996. The Plant Cell 8: 1793-1807).

Finalmente es posible establecer un paralelismo entre la muerte celular en plantas asociada a HR y la apoptosis ,término acuñado por Kerr y col. en 1972 (Gilchrist D.G. 1998. Annu.Rev.Phytopatol. 36:393-414), que deriva de dos raíces griegas: apo y ptosis que significa "caída" (usado en un principio para referirse a la caída de pétalos de las flores y hojas de los árboles), en células animales. Así sabemos que células de tabaco inoculadas con TMV (virus del mosaico del tabaco) muestran fragmentación del DNA nuclear manteniéndose la integridad de membranas al igual que células animales sufriendo apoptosis. También han sido identificadas endonucleasas dependientes de calcio activadas durante muerte celular asociada a HR.; la mayoría del oxígeno activo observado en células de la planta en contacto con patógeno, es catalizado por una NADPH oxidasa de forma similar a lo que ocurre durante el estallido respiratorio en neutrófilos de mamíferos (ver artículo anterior en este mismo número de Encuentros). Sin embargo, aunque algunas interacciones patógeno-hospedador resulten en muerte celular con características de apoptosis, ésta no tiene porque ser una propiedad universal de la muerte de células en plantas durante respuestas de hipersensibilidad. (Baker et al . 1995. Annu.Rev.Phytopathol. 33: 299-321). Podemos concluir diciendo que aspectos de la HR pueden ser generados en la planta en ausencia de patógeno; que son muchos los loci implicados en la restricción del daño inducido por el patógeno durante las interacciones incompatibles, así como en contener el crecimiento del patógeno durante el inicio de la enfermedad, y finalmente preguntarnos si la muerte de células en HR y síntomas de la enfermedad son dictados por vías genéticas independientes.

Diego Francisco Romero Hinojosa es doctorando en microbiología en la Universidad de Málaga