En la interminable guerra entre plantas y patógenos, nuestros cultivos suelen estar a la defensiva. Los omnipresentes ejércitos de bacterias, hongos y virus asedian constantemente los campos que alimentan al mundo, amenazando así la seguridad alimentaria mundial. El hecho de que hayamos eliminado prácticamente la gran mayoría de los cultivares y solo hayamos conservado los que producen los mayores rendimientos solo aumenta la vulnerabilidad de nuestros cultivos.
Durante décadas, los científicos han trabajado para dotar a las plantas de mayores defensas contra estos patógenos. Esto a menudo implica modificar sus sistemas inmunitarios para que sean más inteligentes, rápidos y eficaces, ya sea mediante selección o edición. Ahora, un equipo internacional de investigadores ha desarrollado una estrategia revolucionaria que no solo descubre nuevos sensores inmunitarios en las plantas, sino que también proporciona un modelo para rediseñarlos.
El sistema inmunológico de las plantas
Las plantas, al igual que nosotros, poseen un sistema inmunitario sofisticado. Si bien no poseen anticuerpos ni células inmunitarias especializadas que circulen por sus cuerpos, sus células están equipadas con una formidable defensa de primera línea. Una parte importante de esta defensa son moléculas llamadas Receptores de Reconocimiento de Patrones (PRR). Su función es detectar las firmas moleculares de los microbios y luego desencadenar una cascada de medidas defensivas. Dentro de la célula vegetal, estas detienen la invasión de patógenos.
Existen varios tipos de PRR, incluyendo una familia llamada subgrupo XII de quinasas similares a receptores de repeticiones ricas en leucina, o LRR-RLK-XII. Esta familia es una de las más numerosas, pero los genes asociados a ella no se han estudiado lo suficiente. Si bien la planta modelo Arabidopsis thaliana, ampliamente estudiada, posee solo diez de estos genes, muchas plantas de cultivo vitales poseen cientos. Su competencia evolutiva con patógenos ha generado una inmensa diversidad.
Aquí radica el desafío que ha desconcertado a los científicos durante 30 años: a pesar de saber que estos receptores son cruciales, solo hemos logrado descifrar la función real de una pequeña fracción de ellos. De los miles de receptores potenciales distribuidos por el reino vegetal, menos de diez han sido completamente caracterizados. Es como recibir un enorme llavero de un guardia de seguridad con miles de llaves, pero no tener idea de qué puertas abren. Encontrar la llave correcta para la cerradura correcta —el receptor correcto para la firma patógena correcta— es un proceso minucioso, especialmente en cultivos no modelo como los árboles frutales, que a menudo son genéticamente complejos y tardan años en crecer.
Ahora, los científicos del Centro RIKEN para la Ciencia de los Recursos Sostenibles en Japón han decidido que es hora de adoptar un nuevo enfoque. Decidieron construir un mapa mejor.
De miles a cientos
El primer paso fue controlar la abrumadora cantidad de ejemplares. Mediante potentes técnicas bioinformáticas, analizaron los genomas de 350 especies de plantas diferentes e identificaron la asombrosa cantidad de 13 185 de estos receptores inmunitarios LRR-RLK-XII. A continuación, emplearon un ingenioso método computacional para agrupar los receptores relacionados. La lógica era sencilla: los receptores cuyas superficies de detección se parecían probablemente reconocerían el mismo patrón microbiano. Este poderoso proceso de filtrado redujo la búsqueda de más de 13.000 claves individuales a 210 grupos candidatos, que representan la diversidad inmunológica de 285 especies de plantas.
Pero incluso con 210 candidatos, aún no es sencillo probarlos de forma rápida y eficiente. Simplemente insertar un receptor inmunitario extraño en una planta de prueba no funcionaría, ya que el propio sistema inmunitario de la planta interferiría, enmascarando cualquier señal nueva. Por ello, diseñaron una solución creativa utilizando receptores quiméricos. Estos son básicamente receptores cultivados en laboratorio que se dirigen a proteínas específicas.
Descubriendo la resistencia de las plantas
Los investigadores crearon un receptor sintético para cada candidato. Cuando este receptor sintético detectó una molécula microbiana, no activó una alarma inmunitaria estándar. En cambio, activó un interruptor de desarrollo dentro de la célula, una señal clara, nítida y fácil de medir.
Al analizar las 210 quimeras con suspensiones de la bacteria común Agrobacterium tumefaciens, obtuvieron siete resultados. Uno en particular, el “candidato 181” de un pomelo (Citrus maxima), les llamó la atención. Pero el trabajo de investigación aún no había terminado. ¿Qué detectaba este receptor del pomelo? Al trocear la sopa bacteriana y filtrarla por tamaño, determinaron que el desencadenante era una pequeña proteína. Mediante espectrometría de masas, identificaron al culpable: una familia de moléculas llamadas proteínas de choque frío (CSP).
Las CSP son proteínas esenciales y muy abundantes que se encuentran en casi todas las bacterias, lo que las convierte en un objetivo ideal para un receptor inmunitario. Los científicos ya conocían otro receptor en la familia del tomate y el tabaco, llamado CORE, que también detectaba un fragmento de la proteína CSP. Sin embargo, el receptor del pomelo no tenía ninguna relación con el CORE. Ambos habían evolucionado de forma independiente en diferentes linajes vegetales para reconocer la misma amenaza: un ejemplo sorprendente de evolución convergente. El equipo denominó a su nuevo descubrimiento SCORE (Receptor Selectivo de Proteínas de Choque de Frío).
Este exhaustivo proceso para encontrar el SCORE fue solo el comienzo. El verdadero avance se produjo cuando decidieron analizarlo a fondo para ver cómo funcionaba y luego reconstruirlo para mejorarlo. Este sería el verdadero premio: descubrir cómo las plantas detectan patógenos y cómo potenciar esta capacidad.
Una clave maestra para la inmunidad de las plantas
Descubrieron que las diferentes versiones del SCORE de distintas especies vegetales mostraban una notable diversidad de variantes de CSP que podían reconocer. Resultó que dos posiciones de aminoácidos altamente variables en el péptido CSP eran la clave de este rompecabezas de reconocimiento.
Para observar esta interacción de cerca, el equipo utilizó AlphaFold, un revolucionario programa de IA capaz de predecir la estructura tridimensional de las proteínas. Los modelos resultantes mostraron, con asombroso detalle, exactamente cómo el receptor SCORE acunaba el péptido CSP. Identificaron tres puntos de contacto clave, pero se centraron en una región específica del receptor SCORE como el principal regulador de su especificidad.
Tan solo tres aminoácidos en esta región determinaban lo que el receptor podía y no podía detectar. Estos tres residuos actuaban como un guardián, modificando la carga eléctrica local del punto de unión. Al intercambiarlos, los científicos descubrieron que podían alterar fundamentalmente la preferencia del receptor, haciéndolo favorecer péptidos con diferentes propiedades químicas. Éste fue el gran premio.
El equipo creó sistemáticamente 37 nuevas variantes sintéticas de SCORE modificando estas tres posiciones clave; y funcionó. El SCORE original del pomelo ignoraba los CSP producidos por algunos de los patógenos agrícolas más dañinos del mundo, incluyendo las bacterias que causan el enverdecimiento y el cancro de los cítricos, así como los nematodos agalladores destructivos. Pero al realizar intercambios estratégicos de aminoácidos simples, dobles o cuádruples, los investigadores diseñaron nuevas variantes del SCORE que podían detectar estas amenazas con robustez por primera vez. Se habían convertido en cerrajeros moleculares, creando una llave maestra capaz de abrir muchas cerraduras diferentes.
Del laboratorio al campo
Las enfermedades de las plantas destruyen anualmente una parte significativa de la producción agrícola mundial, y nuestra dependencia de los pesticidas químicos es insostenible. Sin embargo, el mejoramiento tradicional para la resistencia a las enfermedades es un proceso lento y tedioso que puede llevar décadas. Necesitamos mejores opciones para la inmunidad de las plantas.
Este estudio ofrece una nueva y poderosa estrategia. Los investigadores demostraron específicamente que, si bien el gen SCORE nativo de los cítricos no puede reconocer el CSP de la bacteria del enverdecimiento de los cítricos, sus variantes modificadas sí pueden. El artículo propone que las herramientas modernas de edición genética, como CRISPR, podrían utilizarse para realizar estas mismas ediciones precisas en el gen SCORE nativo de los cítricos.
El resultado sería un árbol de cítricos no transgénico (sin genes foráneos), pero equipado con un sistema de alarma interno modificado que puede detectar el patógeno del enverdecimiento y desencadenar una respuesta inmunitaria para combatirlo. Este enfoque podría proporcionar una resistencia duradera basada en la genética, salvando así a una industria al borde del colapso.
Pero el verdadero poder de este trabajo reside en su aplicabilidad a gran escala. Este enfoque ahora puede aplicarse para descubrir y diseñar otros receptores inmunitarios en prácticamente cualquier cultivo contra una amplia gama de patógenos. Ya no estamos limitados a los receptores inmunitarios que la naturaleza proporcionó a una planta en particular. Ahora podemos explorar la vasta biblioteca genética de todo el reino vegetal, seleccionar los mejores centinelas y ajustarlos para que reconozcan las amenazas que más nos preocupan.
Esta investigación difumina la línea entre descubrimiento e invención. Proporciona un plan claro y viable para desarrollar la próxima generación de cultivos resistentes a enfermedades, prometiendo un futuro con un suministro de alimentos más seguro y protegido. La lucha contra los patógenos vegetales está lejos de terminar, pero ahora contamos con una nueva y poderosa arma en nuestro arsenal.
Fuente: ZME Science.
