LOS TOMATES Y SU ETERNA LUCHA

Por J. M. Mulet, el 8 julio, 2021. Categoría(s): Julia Pérez • Master en Biotecnología • Master en Biotecnología vegetal • Master IBMCP • Plagas ✎ 49

Post escrito por Julia Pérez, alumna del Máster de Biotecnología molecular y celular de plantas.

 

Las plantas nos mantienen vivos, y aunque parezca mentira, eso las hace más atractivas para los depredadores. Las plantas terrestres conquistaron nuestro mundo hace, aproximadamente, 450 millones de años. Desde entonces, han evolucionado y luchado para sobrevivir a un ambiente cambiante y, en ocasiones, muy adverso, sufriendo un sinfín de transformaciones.

Las plantas, en su ecosistema, comparten espacio y nutrientes, con otros seres vivos, entre ellos, con sus enemigos ¿El problema? No pueden huir. Cuando en la naturaleza la luz, el agua o los nutrientes escasean, cualquier otro ser vivo en una situación de estrés o peligro solo tiene que alejarse, huir, pero… ¿cómo sobreviven las plantas?

Las plantas son sésiles, es decir, son inmóviles o sedentarias. Esta característica puede explicar casi todos sus comportamientos. Son autótrofas, generan a partir de dióxido de carbono, sales minerales, luz y agua su propia energía y alimento. Sus tejidos son muy nutritivos, de los cuales se alimentan hongos y bacterias, insectos, animales herbívoros y son una de nuestras principales fuentes de alimento.

Las plantas siempre han sido unas luchadoras. Han tenido que abrirse paso a lo largo de una historia complicada y devastadora como la Edad de Hielo o la Industrialización. Frente a diferentes agentes patógenos (hongos, bacterias, …), depredadores y hábitats hostiles, no iba a ser menos, se han adaptado, muchas veces, ganando la batalla, otras, simplemente, sobreviviendo. Para ello, han desarrollado escudos que las protegen: paredes reforzadas, espinas, aislantes… junto con la capacidad de generar proteínas y metabolitos, productos tóxicos de defensa. A su vez, los microorganismos también son unos buenos estrategas, superan estas barreras al romper las protecciones externas, aprovechan aberturas propias de las plantas o sintetizan compuestos que confunden a las plantas y las hacen más sensibles a las enfermedades, como si de una droga se tratase. Una guerra química continua.

Imagen 1: entrada de bacterias por las aberturas de las hojas de tomate

Mi trabajo de fin de máster, realizado en el grupo “Respuesta y Señalización frente al estrés biótico”, se centra en identificar metabolitos, compuestos defensivos, contra los microorganismos y depredadores en el tomate, que solo se producen en aquellas plantas que resisten el ataque de estos atacantes pero que no aparecen en las que estresan o mueren. En concreto, estudio la acción de los monoterpenoides hidroxilados que se detectan en tomates que resisten a una infección bacteriana y permiten su supervivencia.

Mi papel es estudiar si estos compuestos tienen alguna función antimicrobiana, antioxidante o si aumentan la expresión de proteínas de defensa. Para ello, he empleado tratamientos exógenos con spray de los monoterpenoides hidroxilados, además de plantas modificadas genéticamente (si, es lo que estás pensando: plantas transgénicas), que sintetizan de forma muy aumentada estos monoterpenoides hidroxilados.

En primer lugar, se estudió si las plantas transgénicas y/o los tratamientos por spray aumentan la resistencia frente a bacterias. Al comprobar que las bacterias crecían menos, empecé a plantear las siguientes preguntas ¿son los monoterpenoides de las plantas los causantes de este comportamiento?  ¿cómo tiene lugar este proceso?

Las plantas tienen estomas, una especie de “ventanas”, que les permiten intercambiar gases, transpirar etc., pero que también son una puerta de entrada para los patógenos. Los monoterpenoides hidroxilados, permiten el cierre de estas ventanas a tiempo para evitar la entrada de las bacterias y frenar la infección. Además, activan proteínas, relacionadas con la patogénesis, conocidas como PR, que se describen como defensivas ya que solo se acumulan en plantas infectadas y poseen actividades antimicrobianas que afectan a los patógenos.

Imagen 2: estomas (“ventanas”) abiertos y cerrados tras el tratamiento con monoterpenoides hidroxilados

Y ahora te puedes llegar a plantear….y todo esto…¿Para qué?

El continuo crecimiento de la población mundial hace necesario el aumento de la producción de plantas que se utilizan como alimento, combustible, material de construcción, medicinas… Esta situación puede provocar una grave crisis ecológica. Las plagas y los patógenos son una de las principales causas de la pérdida de cultivos de interés agronómico. Si se logra aumentar la resistencia a las infecciones de tomates y otras especies, se ayudará a incrementar la productividad. Por otra parte, los monoterpenoides hidroxilados se obtienen de las propias plantas de tomate y frente a otros tratamientos, como fertilizantes y pesticidas, son más respetuosos con el medio ambiente y ayudan llevar a cabo una agricultura más sostenible.

Los monoterpenoides se comportan como una especie de vacuna. Preparan a las plantas; inducen sus defensas, cierran sus estomas y las mantienen en un estado de alerta continuo frente a patógenos. De esta forma, podemos conseguir un ejército de plantas preparadas para la batalla.

 

 



49 Comentarios

    1. Información bastante útil y un artículo que da que pensar. Como dice en el, siempre hay que mirar por el cuidado del Medio Ambiente, pero, ¿es esta la forma más sana para el ecosistema de conseguir el objetivo del proyecto o hay alguna variante mejor?

      1. Buenas tardes Carlota, el uso de los monoterpenoides hidroxilados podría emplearse como una alternativa al uso de funguicidas, bactericidas u otros productos empleados para la disminución de infecciones en cultivares con interés económico. Estos monoterpenoides se encuentran de forma ubicua en el mundo vegetal. Optimizando el proceso de obtención a partir de los aceites esenciales de las plantas o sintetizándolos de forma microbiológica, ya que, de forma química es muy complejo, podría ser una alternativa menos dañina con el ecosistema, ya que de por sí, están presentes en la naturaleza y no son dañinos a las concentraciones necesarias para otorgar resistencia a las plantas frente a infecciones. La única opción actual de empleo es como tratamientos exógenos debido a la legislación en contra de organismos modificados genéticamente que no permiten el uso de tomates transgénicos, que es otra de las líneas de este proyecto.

      1. Muchas gracias Pilar. Así es, la ciencia y la investigación permiten obtener plantas de interés agronómico con las características deseadas de forma rápida y buscando alternativas al uso de compuestos tóxicos y dañinos.

  1. Buenas tardes,
    Querría saber si hay diferencias significativas entre las muestras de plantas transgénicas y las no transgénicas respecto a la disminución de bacterias.
    Muchas gracias.

      1. Buenas tardes Gema, los monoterpenoides forman parte de la todas las especies del mundo vegetal ya que forman parte de estructuras esenciales, de aceites esenciales o de compuesto volátiles de las flores, por lo que, efectivamente, habría que estudiar si otras plantas cierran los estomas tras la aplicación, pero es posible que se pueda extrapolar, ya que, el mecanismo de cierre estomatal está bastante conservado en el mundo vegetal.

    1. Buenas tardes Carlos. Correcto, al emplear plantas modificadas genéticamente se ha comprobado como hay una correlación entre aquellas plantas que producen mas monoterpenoides y las mas resistentes, destacando diferencias significativas con las plantas control no modificadas.

  2. Artículo interesante, bien enmarcado y desarrollado, lo que facilita su comprensión. Nos acerca al mundo vegetal desde el campo científico y por otro lado cercano como es la investigación de los «preciados tomates».

  3. Muy interesante el trabajo.
    Pero, si estos monoterpenoides provocan, para evitar la entrada de bacterias patógenas, el cierre de los estomas, eso impediría el intercambio de gases y por tanto la fotosíntesis y la planta dejaría de producir, ¿no?

    1. Buenas tardes Elena y Maricarmen, os respondo de forma conjunta, ya que la pregunta es la misma…y muy buena pregunta! Es una de las dudas que siempre surgen…¿y no afectará el cierre al funcionamiento correcto de las plantas? Los monoterpenoides hidroxilados se producen como respuesta de la planta a la infección, una vez eliminado el patógeno del tejido vegetal exterior, la planta seguirá funcionando correctamente, abriendo los estomas para permitir el intercambio de gases, transpiración y realización de la fotosíntesis. A veces, la planta tiene que elegir entre seguir creciendo o combatir una infección, como ocurriría con las plantas modificadas genéticamente o la aplicación de los tratamiento externos en el momento adecuado. Por lo tanto, afecta de forma puntual a la fotosíntesis pero solo si hay un riesgo de infección que causaría mucho daño a las tomateras.

    1. Buenas Araceli. Efectivamente, los monoterpenoides forman parte de la todas las especies del mundo vegetal ya que forman parte de estructuras esenciales, de aceites esenciales o de compuesto volátiles de las flores.

  4. ¡Un post muy interesante!

    Quizá a partir de los monoterpenoides extraídos de la propia planta de tomate se puedan sintetizar nuevas moléculas con actividad similar y que permitan un efecto más prologando en el tiempo o con mayor afinidad frente a un patógeno concreto.

    1. Interesante Julia. Un par de preguntas:
      – ¿Se conocen los efectos de esas concentraciones de monoterpenoides hidroxilados sobre otros organismos del ecosistema y (sobre todo) sobre las personas?
      – ¿La producción de frutos en esas plantas transgénicas es igual que en las no transgénicas sanas? En caso de ser menor, ¿la menor producción compensaría aún las pérdidas producidas por microorganismos en las no transgénicas?
      Un saludo.

      1. Buenos días Sastrei, está estudiando que los plaguicidas a base de aceites esenciales no tienen ningún efecto adverso en el medio ambiente y son seguros para los seres humanos porque la mayoría de los aceites esenciales y sus componentes principales, como los monoterpenoides, no son tóxicos para los mamíferos y las concentraciones para que lo fueran son muy elevadas mientras que las concentraciones que empleamos en estos ensayos son muy bajas y son efectivas. En cuanto a la segunda pregunta, es muy interesante, es cierto que si empleásemos un promotor constitutivo que siempre aumentara la producción de estos compuestos, podría provocar una redirección de la energía a esta producción y menor formación de frutos. Lo ideal sería emplear promotores que hagan que los genes solo se expresen frente a la amenaza, es decir, la infección, por lo que, la planta tendría un desarrollo normal, produciría frutos normales y no afectaría a su número ya que los monoterpenoides solo aumentarían cuando se detectara la bacteria. Muchas gracias por estas preguntas.

    2. Buenas tardes Jorge y muchas gracias por la aportación. Eso sería algo muy interesante con el fin de introducir la aplicación de estos compuestos en la agricultura. Existen procesos industriales centrados en sintetizar los monoterpenoides de forma microbiológica ya que de forma química es muy costoso por su estructura y a partir de plantas se obtienen bajas concentraciones. Y efectivamente, se podría aumentar su acción buscando entre la gran gama de monoterpenoides de las plantas aquellos que provoquen un cierre estomático mas pronunciado. Por ejemplo, al comparar la acción de diferentes monoterpenoides se ha comprobado que los que tienen un hidroxilación su acción es mas potente.

    3. Buenas tardes Jorge y muchas gracias por la aportación. Eso sería algo muy interesante con el fin de introducir la aplicación de estos compuestos en la agricultura. Existen procesos industriales centrados en sintetizar los monoterpenoides de forma microbiológica ya que de forma química es muy costoso por su estructura y a partir de plantas se obtienen bajas concentraciones. Y efectivamente, se podría aumentar su acción buscando entre la gran gama de monoterpenoides de las plantas aquellos que provoquen un cierre estomático mas pronunciado. Por ejemplo, al comparar la acción de diferentes monoterpenoides se ha comprobado que los que tienen un hidroxilación su acción es mas potente

  5. Buenas tardes. Me gustaría saber si, a largo plazo, la producción aumentada de terpenoides en dichas plantas transgénicas tiene un efecto negativo sobre el intercambio gaseoso, puesto que, como comentaba en su post, estos metabolitos producen el cierre de los estomas.

    Muchas gracias Julia! Saludos.

    1. Desde mi punto de vista es un estudio muy seductor, partiendo de las explicaciones que me ofrece en un lenguaje accesible y reconociendo el aprecio que siento por éste tema tan moderno y con tanto potencial, desembocando positivamente en una mayor productividad, para una mayor población de una forma mucho más sostenible.
      Gracias Julia.

      1. Buenas Estrella y muchas gracias. Me alegro de que la información os haya llegado clara y si, al final, es lo que buscamos en el laboratorio, aumentar la productividad de los cultivos de forma indirecta haciendolos mas resistentes, algo muy necesario para el aumento de la población, el efecto del cambio climático en la difusión de enfermedades etc

    2. Buenas tardes Elena y Maricarmen, os respondo de forma conjunta, ya que la pregunta es la misma…y muy buena pregunta! Es una de las dudas que siempre surgen…¿y no afectará el cierre al funcionamiento correcto de las plantas? Los monoterpenoides hidroxilados se producen como respuesta de la planta a la infección, una vez eliminado el patógeno del tejido vegetal exterior por ser un ambiente hostil para su supervivencia, la planta seguirá funcionando corretamente, abriendo los estomas para permitir el intercambio de gases, transpiración y realización de la fotosíntesis. A veces, la planta tiene que elegir entre seguir creciendo o combatir una infección, como ocurriría con las plantas modificadas genéticamente o la aplicación de los tratamiento externos en el momento adecuado. Por lo tanto, afecta de forma puntual a la fotosíntesis pero solo si hay un riesgo de infección que causaría mucho daño a las tomateras.

  6. Me parece sumamente interesante este artículo. Es una ingeniosa idea para reducir el uso de insecticidas y pesticidas que envenenan nuestros cultivos y alimentos, lo que repercute en nuestra propia salud y en el medio ambiente.

    1. Tu trabajo me ha generado alguna duda:
      – Hay alguna diferencia en el mecanismo de acción en el caso de usar spray ( monoterpenos exógenos,) y usar plantas modificadas genéticamente, que imagino producen los monoterpenos de forma activa
      -_¿El mecanismo de acción es el mismo?¿Se activan las proteínas PR y se cierran los estomas en los dos grupos?
      – ¿ Este mecanismo de acción es único de la planta de tomate?
      -¿ Es indiferente el tipo de patógeno que ataca a la planta a la hora de generar este mecanismo defensivo?
      Creo que tras todas mis preguntas no tendrás dudas de que me ha parecido muy interesante.

      1. Buenos días Ana. Efectivamente, las plantas modificadas producen estos de forma constitutiva y aumentada, pero el mecanismo de acción apunta a que es el mismo que cuando se emplean de forma exógena, provocan el cierra de los estomas y activan las proteínas de defensa PR. Por ahora solo se ha estudiado en plantas de tomate, que es la especie de interés agronómica con la que se trabaja en mi laboratorio, pero posteriormente haremos alguna prueba en Arabidopsis y extrapolaremos a otras especies. En cuanto al patógeno, cualquiera que pudiera penetrar en las plantas por los estomas podría ser combatido con este mecanismo, aunque parece estar más relacionado con patógenos bacterianos que con hongos, ya que el mecanismo de acción de estos compuestos van en paralelo con el salicílico que es la hormona que otorga resistencia frente a bacterias.

    2. Julia: muchas gracias por compartir tus investigaciones. Me ha resultado un post muy ameno e interesante, y un proyecto con alto valor traslacional. Deseo que todo vaya muy bien, mucho ánimo.

    3. Muchas gracias Juan. El uso a algunos pesticidas e insecticidas a altas concentraciones y durante largos periodos de tiempo ha provocado ciertos problemas en el funcionamiento de los ecosistemas, sin olvidar la resitencia de algunas plagas frente a ellos, ¡buscar alternativas es necesario!

  7. Me parece un gran proyecto. La investigación en esta línea me parece fundamental para poder abrir paso a trabajar o ampliar los cultivos transgénicos que puedan ayudar a superar problemas como el hambre en ciertos lugares del mundo. Una legislación y un seguimiento profesional conseguiría dar solución a problemas fundamentales como el hambre, las plagas… Enhorabuena.

    1. Muchas gracias por el comentario y la aportación Gema. Has dado en el punto, la pena de todo esto es que se quede en la fase experimental debido a las estrictas leyes europeas en cuanto al empleo de cultivares modificados genéticamente. En el caso de los monoterpenoides hidroxilados esta la alternativa de emplearlos como tratamientos exógenos pero el empleo de plantas transgénicas podría suponer un gran avance en la agricultura. Por ejemplo, en este caso, evitando el proceso de producción de estos monoterpenoides a gran escala.

  8. Interesante. Siempre he sido reacio a la palabra transgénico, pero está claro que en este entorno tan cambiante debemos utilizarlos a nuestro favor. El desarrollo de medidas que alarguen y mejoren la vida de una planta con un consumo tan extendido como es el tomate también implica optimizar y economizar el trabajo de agricultores. Lo considero muy importante dada la sensibilidad que ellos tienen a amenazas animales, climáticas, económicas, etc, jugándose cada año su futuro.

    A nivel macroeconómico, el desarrollo de estos estudios aplican mejoras a la producción, lo que nos permite ser más competitivos en un mercado cada vez más globalizado y agresivo. Muy necesarias estas opciones de mejora.

    Deseando ver los resultados!

    1. Buenas tardes Gorka y muchas gracias por la aportación enfocada a la parte económica del proyecto, que también es esencial para su continuación. Es normal tener la sensación de rechazo a la palabra «transgénico», tanto la prensa, como organizaciones de ecologistas o políticos han vendido a los transgénicos algo negativo y perjudicial para los agricultores y el medio ambiente. Hasta ahora, todos los datos apuntan que los transgénicos comercializados en otras partes del mundo no han comprometido en ningún caso la salud humana pero que si han supuesto un beneficio económico tanto para el agricultor como para el consumidor. Cultivares que requieren menos atención humana, mas resistentes a condiciones adversas, más nutritivos etc aumentan su producción, rentabilidad y disminuyen su coste en el mercado.

  9. Buenas tardes,

    Me preguntaba si, una vez comprobado el papel de defensa de los monterpenoides hidroxilados en tomates, se podrían utilizar estos compuestos en otro tipo de plantas.

    Muchas gracias y enhorabuena por el trabajo.

    1. Buenas tardes Mercedes, es una buena pregunta y tal y como ya he explicado, una vez que elucidemos el mecanismo de acción en tomate probaremos con otras especies. Hay que tener en cuenta que estos compuestos se encuentran en todo el mundo vegetal, por lo que, muy posiblemente en otras especies tengan la misma función de provocar el cierre de ventanas y el freno de la infección.

  10. Ante todo, felicidades por tu artículo, Julia.

    Me parece interesantísimo el estudio y la reflexión que haces. ¿Quizás sea este uno de los métodos que sustituirán a pesticidas y fertilizantes de aquí a unos años?

    Enhorabuena de nuevo, gracias por compartir tu trabajo!

    1. Muchas gracias Juan Carlos. Podría tratarse de una alternativa como tratamiento exógeno para evitar el uso de bactericidas, insecticidas etc de los cuales las plagas y patógenos hayan adquirido resistencia o sean dañinos para el medio ambiente. Pero la mejor alternativa seria poder emplear plantas transgénicas que los produjeran de forma aumentada y dirigida frente a las infecciones…todo seria esperar a una legislación más permisiva, por ahora, los tratamientos exógenos están dando buenos resultados pero habría que optimizar el proceso de obtención para economizarlo.

  11. 450 millones de años de evolución … pero sólo cuando actuáis tú y el Dr. Mulet, ¿es cuando las plantas pueden sentirse protegidas y «preparadas para la batalla»?. Bastante desproporcionada resultó esta entrada. ¿No os parece?.

    1. Buenos días Antonio, está claro que 450 millones de años han sido esenciales para la evolución y adaptación de las plantas, pero nosotros podemos aprovechar parte de esa variabilidad genética fruto de la evolución para editar genes de forma dirigida y conseguir plantas mejoradas, sin apenas huella genómica en 1 año. Además, los monoterpenoides hidroxilados, los compuestos con los que trabajo, se producen de forma natural por el tomate cuando resiste a una infección bacteriana, lo único que pretendemos en el laboratorio es conocer su mecanismo de acción para poder potenciarlo o extrapolarlo a otras especies. Espero que le haya quedado claro que esto sólo es un paso más dentro de todo lo que queda por hacer y gracias a todo lo que ha hecho ya la evolución.

    1. Buenas tardes Cifuentes, ahora habrá que presionar para que la legislación sea más permisiva para que las investigaciones no se queden en fase experimental.

  12. Desde mi punto de vista me resulta un estudio muy seductor, para empezar, utiliza un lenguaje accesible, aclarando las denominaciones más técnicas, lo cual es de agradecer.
    Debo reconocer mi aprecio por éste tema tan moderno y con tanto potencial, agradeciendo que éste análisis desemboque en una mayor productividad para una inmensa y creciente población, de una manera más sostenible.
    Gracias por tu investigación Julia.

    1. Que gusto leer un articulo cientifico y entenderlo, gracias por acercar la ciencia de una manera tan amena a los que no tenemos estos conocimientos.
      Muy interesante, te hace reflexionar sobre la necesidad de cambios y sobre todo pone en valor la importancia de vuestros estudios, ojala este pais invierta mas dinero en investigacion y os de la oportunidad de utilizar vuestros conocimientos en el bien de todos.
      Gracias por lo que haceis.

      1. Buenos días Carmen, me alegro que haya podido entender fácilmente el artículo. Es necesario poder comunicarnos y poder explicar nuestras investigaciones al resto de personas para poder acercar así la ciencia, cada día más, a la sociedad. Cuánto más se valore la ciencia, más inversiones como comenta y más avances. Muchas gracias por valorar el artículo y el trabajo de investigación.

    2. Buenas Estrella y muchas gracias. Me alegro de que la información os haya llegado clara y si, al final, es lo que buscamos en el laboratorio, aumentar la productividad de los cultivos de forma indirecta haciendolos mas resistentes, algo muy necesario para el aumento de la población, el efecto del cambio climático en la difusión de enfermedades etc

  13. Buenas tardes Carlota, el uso de los monoterpenoides hidroxilados podría emplearse como una alternativa al uso de funguicidas, bactericidas u otros productos empleados para la disminución de infecciones en cultivares con interés económico. Estos monoterpenoides se encuentran de forma ubicua en el mundo vegetal. Optimizando el proceso de obtención a partir de los aceites esenciales de las plantas o sintetizándolos de forma microbiológica, ya que, de forma química es muy complejo, podría ser una alternativa menos dañina con el ecosistema, ya que de por sí, están presentes en la naturaleza y no son dañinos a las concentraciones necesarias para otorgar resistencia a las plantas frente a infecciones. La única opción actual de empleo es como tratamientos exógenos debido a la legislación en contra de organismos modificados genéticamente que no permiten el uso de tomates transgénicos, que es otra de las líneas de este proyecto.

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