Decodifican la defensa química de las plantas contra las plagas

Las plantas se encuentran en la parte inferior de la cadena alimentaria y están continuamente amenazadas por patógenos e insectos herbívoros. Pero la gran mayoría de los atacantes no pueden causar ningún daño debido a la amplia resistencia de la planta, también conocida como “resistencia de la planta huésped”. Esta resistencia es permanente y eficaz. Sin embargo, los mecanismos que conducen a esta resistencia, en particular a las plagas herbívoras, son en gran parte desconocidos. 

En un nuevo estudio publicado este jueves en la revista Science, investigadores del Instituto Max Planck de Ecología Química identifican una sustancia química responsable de la resistencia de las plantas del tabaco coyote (Nicotiana attenuata)a un insecto conocido por los agricultores como chicharrita o mosquito verde (Empoasca spp.) y los genes necesarios para su producción. “Nuestra investigación descubrió cómo las plantas nativas usan la reprogramación química para defenderse de los saltamontes oportunistas en la naturaleza”, asegura Yuechen Bai, primer autor del estudio.

En 2004, los científicos del instituto ya habían descubierto en estudios de campo que las plantas de tabaco dañadas en su cascada de señalización de defensa basada en la hormona vegetal ácido jasmónico eran atacadas por chicharritas o saltahojas, insectos que generalmente no pueden dañar las plantas de tabaco con defensas funcionales. El trabajo comprobó que, en la naturaleza, las plantas son permanentemente "probadas" por insectos herbívoros para saber si pueden servir como fuente de alimento; sin embargo, en la mayoría de los casos las plantas pueden defenderse de manera efectiva. 

De acuerdo con estos hallazgos, otro estudio realizado por el instituto mostró que los cicadélidos colonizaron las mismas plantas en las poblaciones naturales de tabaco cuya vía de señalización del ácido jasmónico era más débil que en otras plantas de tabaco. "Sin embargo, en ese momento, aún se desconocía qué mecanismos de defensa específicos activados por el ácido jasmónico eran responsables de la resistencia a los saltahojas", explica Dapeng Li, uno de los líderes del estudio.

Plantas que se defienden

Para responder a esta pregunta, los científicos cruzaron 26 líneas parentales naturales genéticamente diferentes. Esta población, que el equipo de investigación cruzó según un esquema fijo durante un total de nueve años, se plantó en su hábitat natural en Arizona, EE. UU., donde podría ser atacada por chicharritas oportunistas. Cuando los cicadélidos atacaron estas plantas, la gravedad del daño ayudó a identificar la base genética que convirtió a esta planta en particular en una planta huésped para los cicadélidos que aprovechan las defensas débiles.

Los autores investigaron qué cambios químicos se provocan en las plantas después del ataque y qué genes se activan

Los autores del estudio también investigaron qué cambios químicos se provocan en las plantas después del ataque y qué genes se activan. Encontraron una nueva sustancia inestable, para la que usaron la abreviatura CPH, que era responsable de la resistencia permanente a los saltahojas. A través del trabajo de detective bioinformático y utilizando plantas que fueron modificadas específicamente en ciertos genes de defensa y transducción de señales, pudieron mostrar qué tres vías metabólicas estaban involucradas en la producción de este químico. 

Finalmente, los investigadores incluso lograron reconstituir la ruta biosintética de la sustancia de defensa CPH en dos plantas relacionadas, el frijol Vicia faba y la especie de tomate Solanum chilense., y demostrando su eficacia contra los cicadélidos.

"Genética guiada por la historia natural"

"Al combinar métodos sofisticados de biología molecular y análisis químico, pudimos identificar y caracterizar no solo una sustancia de defensa previamente desconocida, sino también los genes responsables de su síntesis", explica Ian Baldwin. “Nuestro enfoque puede describirse como "genética avanzada guiada por la historia natural". La historia natural y la observación del comportamiento alimentario de los cicadélidos ha impulsado nuestro proceso de descubrimiento. Porque cuando se trata de química, la naturaleza sigue siendo la madre de la invención”.

“Cuando se trata de química, la naturaleza sigue siendo la madre de la invención"

En estudios posteriores, los investigadores quieren averiguar cómo se coordina la síntesis de esta defensa química en la planta y qué otros factores y reguladores específicos son cruciales para su producción, especialmente en condiciones naturales. Los saltahojas del género Empoasca , especialmente el saltahojas de la papa Empoasca fabae, pueden causar daños importantes en los cultivos al chupar las hojas de las plantas jóvenes y transmitir enfermedades virales.

Las temperaturas más altas han llevado a una propagación amenazante de estos insectos. Esta investigación básica para controlar una plaga de este tipo puede proporcionar información valiosa con respecto a la mejora permanente de la resistencia en los cultivos, especialmente en el contexto de las nuevas demandas en la agricultura causadas por el cambio climático.

Referencia: Natural history guided –omics reveals plant defensive chemistry against leafhopper pests (Science) doi: 10.1126/science.abm2948