Potencial evolutivo y estructura genética de poblaciones

Alejandro Pérez García

Los agrosistemas modernos son un magnífico escenario para estudiar la evolución de los microorganismos fitopatógenos, ya que en muchos casos la durabilidad de los programas de control de enfermedades va estar condicionada por el potencial evolutivo de las poblaciones del patógeno que se pretende controlar. Así, por ejemplo, los patógenos que presenten un mayor potencial evolutivo tendrán una mayor probabilidad de escapar a programas de control basados en el empleo de productos fitosanitarios o en el uso de cultivares resistentes que aquellas poblaciones que presenten un potencial evolutivo menor. Este mayor o menor potencial evolutivo va a ser el reflejo de la estructura genética de las poblaciones del patógeno. Se entiende por estructura genética de una especie a la cantidad y distribución de la variación genética dentro y entre poblaciones de dicha especie. La estructura genética de una población concreta viene determinada por la historia evolutiva de esa población y va a ser consecuencia de las interacciones entre los 5 factores que condicionan la evolución de las poblaciones: mutación, deriva genética, flujo génico, sistema de reproducción y selección. La estructura genética de las poblaciones de un patógeno puede variar rápidamente en el tiempo y en espacio mientras dichas poblaciones evolucionan o se adaptan en respuesta a cambios locales, pero la estructura genética global de una especie es poco probable que cambie en una escala de tiempo humana, salvo raras excepciones. En una revisión muy recomendable, McDonal y Linde (2002) [Annu. Rev. Phytopathol. 40: 349-379] proponen la predicción del potencial evolutivo de los agentes fitopatógenos basada en el análisis de su estructura genética como información esencial a tener en cuenta para el diseño de los programas de control de las enfermedades de plantas y presentan una tabla de valoraciones de riesgo para diferentes agentes fitopatógenos en función de sus respectivos potenciales evolutivos. De esta manera, lo que conocemos como Epidemiología molecular nos aporta información muy relevante para el control de una enfermedad desde la óptica de la genética de poblaciones del patógeno.

La mutación es la fuente fundamental de variación genética ya que conduce a cambios directos en la secuencia de DNA y a la creación de nuevos alelos en las poblaciones. Las poblaciones con más alelos tienen mayor diversidad génica, y por tanto, mayores posibilidades de crear nuevas cepas capaces, por ejemplo, de superar a genes de resistencia mediante mutaciones en los genes de avirulencia complementarios, o de desarrollar resistencias a fungicidas mediante mutaciones en los genes que codifican las dianas de los mismos. Las tasas de mutación son normalmente bajas aunque éstas pueden diferir entre los diferentes loci y patógenos. Según este modelo, los patógenos con tasas de mutación más altas son los que presentan un mayor riesgo. No obstante, es difícil imaginar un programa de control que pueda reducir las tasas de mutación de un patógeno.

El tamaño de la población puede afectar a la frecuencia en la que un mutante esté presente e influir en la diversidad génica de una población a través de un proceso denominado deriva genética. Como las tasas de mutación son relativamente constantes y casi siempre bastante bajas, las poblaciones grandes tienen normalmente una mayor diversidad génica (más alelos, más mutantes) que las poblaciones pequeñas. La deriva genética ocurre cuando una población se ve sometida a un cuello de botella (acontecimiento catastrófico que causa una severa reducción en el tamaño poblacional) o a un efecto fundador (como cuando una población pequeña del patógeno coloniza a una nueva población de huésped), circunstancias en las que la frecuencia de los alelos mutantes en las poblaciones supervivientes o fundadoras puede diferir significativamente de la frecuencia de la población original. Según esta idea, los patógenos que se presenten en poblaciones mayores tendrán un mayor potencial evolutivo y los que sufran de manera regular severas reducciones en sus tamaños poblacionales serán los que presenten una menor diversidad y por tanto una capacidad de adaptación más lenta.

El flujo génico es el proceso mediante el cual determinados alelos (genes) o individuos (genotipos) son intercambiados entre poblaciones separadas geográficamente. Según este planteamiento, el flujo génico puede incrementar sustancialmente el tamaño de una población mediante el incremento de tamaño del "vecindario genético" a través del cual se intercambian genes y genotipos y facilitar el movimiento de alelos mutantes entre poblaciones individuales del patógeno. Por tanto, patógenos que presenten un alto grado de flujo génico presentarán una diversidad genética mayor porque presentan un tamaño de población efectivo mayor. Con este planteamiento, los patógenos con mayor riesgo suelen ser aquéllos que producen propágulos con capacidad de dispersión a larga distancia tales como royas y oídios que con frecuencia presentan vecindarios genéticos que comprenden continentes enteros, como por ejemplo el caso de Puccinia en Norteamérica.

El sistema de reproducción va a afectar a la manera en que la diversidad genética es distribuida dentro y entre poblaciones. La reproducción puede ser sexual, asexual o mixta, como ocurre con muchos hongos que presentan tanto reproducción sexual como asexual. Muchos de los patógenos más destructivos y peligrosos experimentan una combinación de ciclos sexuales y asexuales que permiten generar altos niveles de diversidad génica y genotípica. Durante el ciclo sexual se generan muchas nuevas combinaciones de alelos (genotipos) que pueden ser probadas en diferentes ambientes como pueden ser la presencia de nuevos genes de resistencia o fungicidas. Durante la fase asexual los genotipos más aptos se mantienen a través de una reproducción clonal e incluso pueden aumentar su frecuencia. Ahora bien, la distribución espacial y temporal de clones o líneas clonales dentro o entre poblaciones dependerá principalmente de las capacidades de dispersión y supervivencia de los propágulos asexuales. Si el propágulo asexual es capaz de dispersarse a larga distancia, entonces el clon con mayor capacidad de supervivencia podrá ser distribuido ampliamente a través de un flujo genotípico relativamente rápido, provocando una epidemia. Según este modelo, los patógenos que experimentan procesos de recombinación regulares serían los que presentan un mayor riesgo para los cultivos.

Finalmente, la selección es la principal fuerza que conduce los cambios de frecuencias de alelos mutantes. Por ejemplo, se produce una fuerte selección direccional con el empleo intensivo de un nuevo gen de resistencia o un nuevo fungicida, lo que conduce a un incremento de la frecuencia de mutantes virulentos (que hayan perdido el elícitor complementario al gen de resistencia) o resistentes al fungicida. Se conocen muchos ejemplos de superaciones de genes de resistencia y de fenómenos de resistencia a fungicidas que demuestran que la selección es un mecanismo evolutivo eficaz en la mayoría de los agrosistemas modernos que están basados en la uniformidad genética de los monocultivos y en el uso intensivo de los productos fitosanitarios. Por lo tanto, los patógenos de mayor riesgo serían los sometidos a una mayor presión selectiva de los programas de control.

Según lo anteriormente expuesto, queda claro que los patógenos de mayor riesgo para la agricultura son los que presentan un mayor potencial evolutivo. Una vez evaluado el potencial evolutivo de un patógeno determinado, deberían desarrollarse programas de control de la enfermedad que fueran encaminados a disminuir la diversidad genética del patógeno en cuestión mediante el mantenimiento de niveles reducidos de las poblaciones del patógeno; limitando el movimiento de genes y genotipos entre poblaciones; limitando la ocurrencia de reproducción sexual o la persistencia y distribución de propágulos asexuales; utilizando cultivares portadores de varios genes de resistencia o mediante la alternancia de cultivares portadores de diferentes genes de resistencia; y sobre todo diversificando el uso de fungicidas. De entre los patógenos con mayor riesgo evolutivo destacan un numeroso grupo de hongos fitopatógenos denominados oídios, porque en ellos se concretan de forma evidente las 5 fuerzas evolutivas. Así, durante la mayoría de las estaciones de cultivo se reproducen asexualmente de forma prolífica mediante la formación de conidias que son dispersadas por el viento a largas distancias. Presentan también una fase sexual (teleomorfo) que conduce a la formación de cleistotecios, estructuras que albergan las ascosporas, o lo que es lo mismo, a los individuos portadores de las nuevas dotaciones genéticas. Están sometidos a una fuerte selección ya que su control prácticamente se reduce a la aplicación repetida de fungicidas y al empleo de algunos cultivares resistentes. Finalmente, aunque las tasas de mutación se desconocen, se sabe que en muchos casos, fenómenos de resistencia a fungicidas están asociados a mutaciones.

El estudio de los oídios se hace complicado debido a su naturaleza de parásitos obligados. Desde el punto de vista genético, los caracteres que se pueden estudiar son aquellos que tienen que ver con su adaptación al huésped, básicamente raza, espectro de huésped y resistencia a fungicidas. Desde el punto de vista molecular, debido a la dificultad de extraer cantidades suficientes de DNA de unos organismos no cultivables en medios de cultivos convencionales, nuestras posibilidades de estudio se limitan al uso de las diferentes aplicaciones de la "reacción en cadena de la polimerasa" o PCR. La secuenciación del genoma de Blumeria graminis (oídio de los cereales), el oídio de mayor importancia económica, abriría las puertas de la genómica a los que trabajamos con estos difíciles microorganismos, de manera que las posibilidades de profundizar en el conocimiento de la biología de estos hongos frente a las actuales limitaciones serían…¿infinitas?

Alejandro Pérez García es Profesor Titular de Microbiología en la UMA