Científicos latinoamericanos exploran mecanismos para luchar contra enfermedades de las plantas

Dos becarios de Pew analizan los desafíos y las oportunidades en sus trabajos

Article September 23, 2019 Read time:

Projects: Pew Latin American Fellows

María Florencia Ercoli es miembro de la clase 2019 del Programa de becarios latinoamericanos de Pew en Ciencias Biomédicas. Ercoli es oriunda de Argentina y trabaja en el laboratorio de la Profesora Pamela C. Ronald en la Universidad de California, en Davis. Su investigación está centrada en las estrategias moleculares que usan ciertas bacterias para invadir plantas.

Fausto Andrés Ortiz-Morea, Ph.D.

Fausto Andrés Ortiz-Morea es miembro de la clase 2019 del Programa de becarios latinoamericanos de Pew en Ciencias Biomédicas. Ortiz-Morea es oriundo de Colombia y trabajará en el laboratorio del Dr. Libo Shan en la Universidad de Texas A&M para explorar de qué manera las plantas integran y ejecutan respuestas inmunitarias contra agentes patógenos invasores.

Dado el continuo aumento de población mundial, la seguridad global de los alimentos (es decir, garantizar una provisión suficiente de alimentos nutritivos y asequibles) se ha convertido en una preocupación cada vez mayor para los científicos. Los patógenos que provocan enfermedades pueden causar estragos en las plantas y, de este modo, amenazar la salud y la sustentabilidad de los cultivos esenciales.

María Florencia Ercoli, de Argentina, y Fausto Andrés Ortiz-Morea, de Colombia, están dedicados a explorar, respectivamente, de qué manera los patógenos atacan las plantas y cómo las plantas se defienden de dichos ataques. Ambos son miembros de la clase 2019 del Programa de becarios latinoamericanos de Pew en Ciencias Biomédicas.

El programa, que comenzó en 1990, brinda apoyo a científicos nóveles para que reciban tanto formación posdoctoral en los Estados Unidos como recursos adicionales cuando regresen a sus países para comenzar su investigación independiente. Recientemente, estos dos expertos conversaron acerca de sus planes de investigación y de los desafíos en el campo. Se editaron las respuestas con el fin de brindar un mensaje más claro y más breve.

P: ¿Qué le interesa acerca de la biología de las plantas?

Ercoli: Cuando estaba terminando mi formación de grado, tuve la oportunidad de incorporarme a un laboratorio donde se formulaban preguntas intrigantes acerca de la biología de las plantas. En ese momento, me di cuenta de que me encantan las plantas como modelos de estudio y de cómo la investigación con modelos vegetales ha contribuido a innumerables avances científicos. Rápidamente revaloricé el modo en que se formulan preguntas y se brindan respuestas en el campo y, lo que es más importante, el impacto que estas tienen en la sociedad.

Ortiz-Morea: El hecho de que las plantas, a pesar de su estilo de vida sésil, se adapten a diferentes ambientes de todo el mundo y los colonicen es algo que siempre me ha intrigado. Si las plantas experimentan estrés biológico —es decir, necesitan alimentos y agua o sufren el ataque de patógenos— deben lidiar con esa situación mientras permanecen en el mismo lugar. Esto despertó mi curiosidad acerca de los mecanismos que usan las plantas para monitorear el ambiente circundante y ajustar su crecimiento y su desarrollo en consecuencia, además de cómo distinguen los microorganismos “buenos” de los “malos”.

P: ¿Qué esperan descubrir durante su beca posdoctoral en los Estados Unidos?

Ercoli: Espero contribuir al conocimiento sobre cómo las bacterias patogénicas utilizan el “mimetismo molecular” para su beneficio. El mimetismo molecular es una estrategia mediante la cual agentes patógenos producen y usan moléculas que se parecen a las moléculas del huésped con el fin de manipular el ambiente que están invadiendo y facilitar la infección. Al comprender las interacciones entre las bacterias invasoras y el huésped, podemos ayudar a desarrollar nuevas estrategias para luchar contra las enfermedades en las plantas.

Ortiz-Morea: Yo me concentraré en estudiar el sistema inmune de las plantas, específicamente en cómo las plantas detectan las señales de peligro e integran información externa con información interna para desencadenar respuestas inmunitarias biológicas con el fin de sobrevivir a las infecciones. En esta investigación, se revelarán conocimientos de cómo las plantas activan y modulan sus sistemas de defensa. Los hallazgos luego se podrán usar para impulsar el desarrollo estratégico de cultivos resistentes a enfermedades.

P: ¿Cuáles son los principales desafíos que enfrenta el campo de la inmunología y la biología de las plantas?

Ercoli: En la actualidad, enfrentamos una situación en la que la disponibilidad de recursos naturales permanece constante, al tiempo que la población global se incrementa, lo que hace necesario que el rendimiento de los cultivos aumente un 70 % hacia el año 2050. Cada año, el desafío para los agricultores consiste en aumentar la producción y mejorar la calidad nutricional, reduciendo a la vez la necesidad de agregar agua, nitrógeno, fosfato y otros recursos al suelo. Lo que es más importante, tenemos que mejorar la capacidad de las plantas de resistir el ataque de agentes patógenos que originan pérdidas económicas sustanciales en todo el mundo y amenazan la seguridad global de los alimentos.

Ortiz-Morea: Nuestro principal desafío es aumentar la productividad de las plantas para satisfacer la demanda de una población mundial en crecimiento que se calcula, en la actualidad, en 7500 a 7700 millones de personas. Tenemos que producir una cantidad suficiente de alimentos, pero también tienen que ser alimentos saludables dentro de parámetros sostenibles: con menos uso de pesticidas, agua, energía y tierra. Al mismo tiempo, tenemos que prevenir las enfermedades de las plantas, que originan, cada año, entre un 20 a un 40 % de pérdida de la producción de los cultivos en todo el mundo. Para superar este desafío, tenemos que comprender la manera en que las plantas interaccionan con factores biológicos y físicos presentes en su medioambiente, y usar este conocimiento para mejorar la productividad agrícola y mantener la sustentabilidad medioambiental.

P: ¿Pueden detallar qué examinará su investigación?

Ercoli: En mi investigación en el laboratorio de la Profesora Pamela Ronald, examinaré las estrategias moleculares que usan las bacterias para invadir las plantas. Recientemente, en el laboratorio se descubrió que la bacteria gram-negativa conocida como Xanthomonas oryzae pv. oryzae (Xoo) secreta una molécula, RaxX, que imita una hormona vegetal producida por el arroz, un cultivo crítico que es consumido por más de la mitad de la población mundial. Las plantas, en cambio, tienen un gen llamado XA21, que es el receptor inmune que detecta la molécula RaxX. Luego, promueve una respuesta inmune y confiere resistencia a la infección.

Si bien las cepas de la bacteria Xoo que no producen la molécula RaxX pueden evadir la respuesta inmune dependiente del gen XA21, no tienen la capacidad de infectar el arroz en ausencia del gen XA21 de la misma manera que una bacteria salvaje. Eso sugiere que la molécula RaxX desempeña una función importante para la virulencia de la bacteria. Lo interesante es que algunas cepas de la bacteria Xoo producen formas levemente modificadas de la molécula RaxX y, por lo tanto, son capaces de evadir la detección a través del receptor XA21 y de establecer la infección, lo cual muestra nuevamente la importancia de la molécula RaxX para la transmisión de la bacteria Xoo.

Al identificar de qué manera el mimetismo hormonal hace que el arroz sea más susceptible a la infección, podemos comprender cómo diseñar plantas para que sean resistentes a la enfermedad. Comprender el modo en que las bacterias superan las barreras de protección de las plantas es fundamental para entender de qué manera estas se pueden modificar para luchar contra las bacterias de forma efectiva. En breve, esperamos comprender mejor los mecanismos que subyacen a un sistema de interacción planta-agente patógeno para prevenir infecciones y, por extensión, la pérdida de producción de los cultivos.

Ortiz-Morea: En el Instituto de Biotecnología y Genómica de Plantas de la Universidad de Texas A&M, examinaré la respuesta inmunitaria de las dos líneas de defensa que usan las plantas para luchar contra la infección. Cuando agentes patógenos invaden, sensores sobre la superficie de las células de la planta reconocen patrones o moléculas específicas derivadas de los organismos invasores y desencadenan la primera línea de defensa en un proceso denominado “inmunidad desencadenada por patrones” (PTI, por sus siglas en inglés). Con frecuencia, los agentes patógenos desarrollan un conjunto de moléculas, diversas denominadas “efectores”, que pueden bloquear la repuesta PTI. Si esto sucede, las plantas activan la segunda línea de defensa, para lo cual usan sensores dentro de las células que detectan a los efectores y desencadenan una respuesta más contundente y enérgica denominada “inmunidad desencadenada por efector” (ETI, por sus siglas en inglés). Estas respuestas se memorizan para neutralizar de modo eficiente futuros ataques provenientes del mismo agente patógeno.

Si bien se sabe mucho acerca de cómo las plantas luchan contra las infecciones, muchas preguntas permanecen sin respuesta. Por ejemplo, ¿de qué manera las moléculas dentro de las células de las plantas amplifican la respuesta inmunitaria? ¿Cuáles son las moléculas específicas derivadas de organismos invasores que reconoce la célula vegetal? ¿De qué manera las plantas integran los diversos estímulos internos y externos para desplegar una respuesta inmunitaria? ¿Qué mecanismos impulsan la decisión acerca de cuáles moléculas de señalización de inmunidad de las plantas se usarán contra los diferentes estímulos? Espero encontrar las respuestas a estas preguntas y ayudar a desarrollar estrategias para generar cultivos resistentes a las enfermedades, mejorar practices de agricultura sostenible y optimizar la productividad de los cultivos.

P: ¿Qué beneficio esperan obtener de formar parte de la comunidad de científicos de Pew?

Ercoli: Espero compartir mi experiencia y fortalecer las conexiones con otros científicos que trabajan en otros proyectos interesantes para que podamos aprender uno del otro. Creo que estar conectados nos fortalecerá, tanto a nosotros como a nuestra investigación.

Ortiz-Morea: Formar parte de la comunidad de científicos de Pew genera entusiasmo, porque es sumamente reconocida por su contribución a la ciencia. Espero conectarme con esta red multidisciplinaria de científicos sobresalientes y establecer colaboraciones científicas mediante la investigación con objetivos compartidos.