Arabidopsis: un modelo para el estudio de las interacciones patógeno-planta
Alejandro Pérez García
Arabidopsis thaliana es una pequeña mala hierba de la familia de las crucíferas que ha llegado a ser uno de los más importantes sistemas para el estudio de muchos aspectos de la biología de las plantas. Sus características únicas ofrecen una serie de ventajas a la hora de considerarla como modelo de investigación. En primer lugar, es un verdadero diploide con un ciclo de vida muy corto (6-8 semanas), de fecundación autógama, y produce numerosas semillas que permanecen viables durante muchos años. Su rápido crecimiento permite el análisis de un gran número de individuos en un mínimo espacio y por lo tanto, la consiguiente amplificación rápida de los genotipos útiles para posteriores estudios. En segundo lugar, su compacto genoma con relativamente escasas secuencias repetidas y un bajo contenido en DNA (aproximadamente 70 Mpb por núcleo haploide, unas 25 veces el tamaño del genoma de Escherichia coli), la hacen con diferencia, la planta superior de genoma más pequeño conocido, y por lo tanto, un sistema ideal para estudios genéticos y moleculares. En tercer lugar, puede ser transformada por Agrobacterium tumefaciens y mediante el plásmido Ti es posible introducir genes de interés y mantenerlos de forma estable. Finalmente, varios grupos de investigación están desarrollando mapas físicos de su genoma y correlacionándolos con los mapas genéticos ya disponibles [Davis y Hammerschmidt eds., Arabidopsis thaliana as a model for plant-pathogen interactions (1993)].
Las plantas han convivido con los patógenos vegetales durante millones de años, por lo tanto, no es sorprendente que una planta concreta sea resistente a la mayoría de los mismos y sea únicamente infectada por un número reducido de patógenos. Básicamente, para varios sistemas patógeno-planta se ha demostrado que la resistencia de la planta hospedadora parece estar condicionada aparentemente por un único gen dominante, el cual tiene su correspondencia en un locus del patógeno que va a determinar virulencia o avirulencia para ese particular gen de resistencia. Este tipo de relación entre hospedador y patógeno se conoce con el nombre de interacción gen-a-gen (ver Encuentros en la Biología, n°13). De forma general, se piensa que los productos de los genes de resistencia actúan en el reconocimiento del patógeno, y serían el primer eslabón de una amplia gama de mecanismos defensivos de las plantas agrupados bajo lo que se ha denominado respuesta de hipersensibilidad (HR) (ver Encuentros en la Biología, n°14). Sin embargo, a pesar de los abundantes modelos teóricos de cómo los genes de resistencia deberían actuar en el desarrollo de la respuesta defensiva que va a permitir la resistencia, la estructura de los genes y la naturaleza de sus productos permanece aún sin resolver en la mayoría de los casos.
Actualmente, la estrategia más utilizada por los investigadores para prevenir las grandes pérdidas económicas que originan las enfermedades es la incorporación de estos genes de resistencia a los cultivares con mayor aceptación comercial. En este sentido, durante los últimos 10 años las herramientas de la biología molecular han sido aplicadas al estudio de los mecanismos que regulan la resistencia. Es posible que los diferentes genes de resistencia de los distintos hospedadores estén relacionados. Por ejemplo, un gen de resistencia de Arabidopsis correspondiente a un particular gen de avirulencia bacteriano ha sido identificado en judía y guisante. Por lo tanto, la clonación y caracterización de genes de resistencia de Arabidopsis que condicionan resistencia para diversos patógenos, es una de las más frecuentes herramientas de trabajo en fitopatología molecular, ya que de esta manera genes de resistencia clonados en Arabidopsis podrían ser transferidos a otras crucíferas relacionadas para su uso directo, o emplearse como sonda para la búsqueda y el aislamiento de genes homólogos de especies comerciales importantes tales como trigo, patata o tomate [Mauch-Mauni y Slusarenko, Trends in Microbiology, 7: 265 (1993)].
Se han empleado dos estrategias para desarrollar sistemas patógeno-planta en Arabidopsis: la inoculación de patógenos de plantas relacionadas en Arabidopsis para comprobar si pueden desarrollar las enfermedades, y la búsqueda de plantas de Arabidopsis infectadas de forma natural en el campo o en invernaderos. En ambos casos el mayor inconveniente ha sido encontrar patógenos que sean susceptibles de análisis genéticos y moleculares, requerimiento que todavía no ha sido completamente solucionado, especialmente en el caso de los hongos. Para ambas estrategias el siguiente paso ha sido buscar variaciones en las respuestas de las diferentes líneas de Arabidopsis para un patógeno dado, de tal forma que la base genética de la variación pueda ser caracterizada, ya que la existencia de resistencia y susceptibilidad, es decir, incompatibilidad y compatibilidad respectivamente, facilita los estudios y la manipulación de las supuestas respuestas defensivas a la hora de ensayar sus papeles en la resistencia. La primera estrategia ha sido particularmente satisfactoria con bacterias fitopatógenas como Pseudomonas syringae pv. tomato y pv. maculicola que son patógenos de tomate y coliflor respectivamente, y la segunda lo ha sido con Xanthomonas campestris pv. campestris, bacteria que infecta normalmente a crucíferas y que ha sido encontrada en el campo como patógena de Arabidopsis. Además, muchas de las técnicas de DNA recombinante desarrolladas sobre E. coli han sido aplicadas a estas bacterias Gram-negativas, lo que ha supuesto un avance muy rápido en el estudio de estos sistemas, aunque no exento de problemas como en el caso particular de Pseudomonas syringae. La primera estrategia también ha sido satisfactoria con virus y hongos, sin embargo, la mayoría de las infecciones naturales de Arabidopsis parecen estar causadas por hongos, lo cual quizás refleje la importancia global de este grupo de microorganismos como patógenos vegetales [Mauch-Mauni y Slusarenko, Trends in Microbiology, 7: 265 (1993)].
Por otro lado, la simplicidad del genoma de Arabidopsis la hace muy atractiva no sólo para caracterizar los clásicos genes de resistencia, sino también para ensayar el papel de los mismos en la resistencia. Por ejemplo, mediante la transformación de plantas con fusiones de los promotores de dichos genes y genes marcadores como el GUS, los mecanismos de activación de los supuestos genes de defensa pueden ser fácilmente estudiados. Además, dichos genes de defensa pueden ser sobreexpresados o bloqueados mediante la transformación de plantas con dichos genes pero colocados bajo el control de potentes promotores constitutivos, o mediante la transformación con genes antisentido, respectivamente. En ambos casos las plantas deberían presentar alteraciones en su respuesta defensiva frente al patógeno.
No obstante, el uso de Arabidopsis en el campo de la Fitopatología es relativamente reciente y aunque los avances se suceden de forma muy rápida, muchos de los problemas todavía no se han solucionado. Sin lugar a dudas, los próximos años deberán ser muy interesantes en lo que al estudio de las interacciones patógeno-planta se refiere, de tal manera que llegarán a ser mejor comprendidas, y por lo tanto, la aplicación de este conocimiento a la solución de problemas a largo plazo podrá ser una realidad. En resumen, el conocimiento de las bases moleculares de la resistencia de las plantas deberá sugerir nuevas vías para la optimización de las respuestas defensivas mediante ingeniería genética que debería permitir la reducción de la aplicación de productos químicos ambientalmente nocivos.
Alejandro Pérez García, es doctorando en el Departamento de Microbiología.