Reconocimiento y señalización

Es bien sabido que las plantas cuentan con un sistema de vigilancia eficaz, que les permite realizar un reconocimiento a tiempo de la amenaza que constituye el patógeno para, de esta manera, desarrollar un proceso defensivo específico en su contra (Hahn, M. G., 1996). Bajo esta premisa, diversos estudios se han desarrollado para establecer cómo dichos sistemas de reconocimiento se aplican a los diferentes modelos planta patógeno. Un punto central en el conocimiento actual de los mecanismos de reconocimiento, hace referencia a que los microorganismos potencialmente patógenos pueden ser percibidos por una primera línea de receptores que hacen parte del sistema de reconocimiento no específico, en donde algunos motivos estructurales, altamente conservados en la mayoría de los microorganismos (MAMPs Microbial Pathogen

Associated Molecular Patterns) pueden ser reconocidos por un sistema sensible de

vigilancia ubicuamente distribuido en el reino vegetal (Gómez-Gómez 2004; Bent & Mackey 2007; Tameling & Joosten 2008; Faulkner & Robatzek 2012). Este reconocimiento desencadena una respuesta no específica conocida como PTI

(PAMP-triggered immunity) la cual determina la resistencia basal asociada generalmente a

resistencia no hospedero y en algunos casos a resistencia hospedero (Dodds & Rathjen 2010; Muthamilarasan & M. Prasad 2013). Este fenómeno activa un conjunto de fenómenos en la planta como el aumento en el flujo de Ca⁺² a través de la membrana plasmática, la síntesis de especies altamente reactivas de oxígeno (EROs) y la acumulación de carbohidratos como la calosa a nivel de la pared (Muthamilarasan & M. Prasad 2013). Estas respuestas de defensa no específicas, que se activan ante el ataque de muchos organismos patógeno de la planta, está determinada por la presencia

de los receptores a nivel de membrana (PRPs Patogen-Recognition Receptors), los cuales además de ser altamente conservados en éstas, son determinantes en estos procesos de reconocimiento que regulan la inmunidad innata vegetal (Tameling & Joosten 2008; Dodds & Rathjen 2010).

Sin embargo, muchos microorganismos fitopatógenos dentro de su proceso de evolución, se han adaptado a estos sistemas de reconocimiento y han desarrollado factores de virulencia que suprimen partes de este sistema de reconocimiento, facilitando su infección al hospedero (Bent & Mackey 2007). Dichos factores conocidos como efectores, permiten que el microorganismo pueda infectar de manera exitosa la planta, debido principalmente a su capacidad para perturbar de forma determinante los procesos de defensa de la planta, ya sea a nivel del reconocimiento, en la transducción de la señal o a nivel de los mecanismos de defensa que se activan debido a su presencia en los tejidos de la planta (Bent & Mackey 2007; Pritchard & Birch 2011). Sin embargo, dentro del mismo contexto evolutivo muchas plantas han desarrollado receptores que permiten reconocer estos factores y generar una respuesta de defensa (Bent & Mackey 2007; Tameling & Joosten 2008). De esta manera, los efectores que actuaban inicialmente como factores de virulencia ahora son de avirulencia y permiten un reconocimiento en la planta del patógeno potencialmente virulento. Estos receptores específicos generalmente conocidos como proteínas R, (Proteínas que confieren Resistencia) pueden actuar de diversas maneras, ya sea por interacción directa con el factor avirulento a nivel de la membrana plasmática o a nivel citoplasmático, o por interacción indirecta reconociendo algunas moléculas que se generan debido a la presencia del patógeno en la planta (Bent & Mackey 2007). Este reconocimiento es la base de la ETI (Effector-Triggered Immunity), la cual está constituida con por un conjunto de respuestas de defensa similares a las presentadas por la PTI, pero activadas de manera espacio y temporalmente coordinada diferente, siendo más rápidas y efectivas que esta última (Dodds & Rathjen 2010; Muthamilarasan & M. Prasad 2013).

A nivel estructural de estas proteínas R, es importante citar que algunos dominios de receptores del complejo responsable de la inmunidad innata en mamíferos e insectos, son similares a los encontrados en proteínas R de diferentes especies vegetales (Borregaard et al. 2000). El reporte de proteínas R tanto en la membrana plasmática como a nivel del citoplasma, indica que algunas son especialistas en la detección de ligandos presentes en los espacios intercelulares y otras lo son para el reconocimiento de

moléculas que se generan al interior de la célula del hospedero. A la fecha se han descrito varios dominios funcionales y estructurales en muchos de los genes R reportados para diferentes fuentes vegetales. Teniendo en cuenta los dominios, se ha realizado una clasificación de las proteínas R en varios grupos. El grupo predominante presenta un dominio de unión a nucleótidos (NBS: Nucleotide Binding Site) para la interacción con ATP ó GTP, así como un dominio de repeticiones de Leucina (LRR:

Leucine Rich-Repeats). Este grupo de proteínas R se encuentra en el citoplasma y tiene

una arquitectura similar a la encontrada en las proteínas encargadas del reconocimiento de infección intracelular; el dominio NBS es altamente conservado en las proteínas Apaf-1 de mamíferos, R de plantas y Ced-4 de nemátodos y debido a esto la familia de proteínas que lo contienen conforman la familia NBS-ARC. (Gerben Van Ooijen et al. 2008). Dentro de las proteínas que presentan los dominios NBS-LRR se encuentran dos subgrupos, en el primero proteínas con extremo N-terminal presentan un dominio del tipo

coiled coil (CC) y son conocidas como la subfamilia CC-LRR-NBS; el otro subgrupo

presenta un dominio N terminal homólogo al receptor de interleukina y Toll (Toll and Interleukine Receptor: TIR) y es conocida como la subfamilia TIR-NBS-LRR. Otro Grupo importante de proteínas R se encuentra anclada a la membrana plasmática, presentando una hélice transmembranal y dominios LRR extracelulares. Adicionalmente presenta un dominio del tipo serina-treonina quinasa intracelular que interacciona con otras proteínas en la transducción del estímulo. La estructura de este tipo de proteínas R sugiere que hacen parte de un complejo de receptores encargados de reconocer un estímulo extracelular y desencadenar procesos intracelulares relacionados con la transducción de la señal (Gómez-Gómez 2004). En general, las diferentes combinaciones de estos dominios característicos permiten clasificar a las proteínas R en diferentes familias, que son conservadas en diferentes familias vegetales (Gururani et al. 2012).

Diversos estudios han reportado una mayor complejidad en el reconocimiento del factor avirulento, por parte de las proteínas R. En dichos casos, la interacción con las proteínas R en la planta, no se presenta directamente con el producto del gen de avirulencia del patógeno. Por ejemplo, teniendo en cuenta que diversos genes avr del patógeno codifican para proteasas, se ha propuesto que la acción de estas enzimas sobre proteínas del hospedero pueden generar productos de proteólisis que a su vez pueden tener un efecto elicitor directo al unirse con proteínas R en la planta (Gómez-Gómez 2004). La “hipótesis del guardián” propone que algunas proteínas R vigilan la integridad

de proteínas particulares en el hospedero que se pueden ver afectadas por acción de las proteínas del patógeno. En este modelo la interacción de la proteína R con los componentes del hospedero modificados por la presencia del patógeno, generarían una respuesta de defensa específica en su contra (J. D. G. Jones & Dangl 2006; Dodds & Rathjen 2010). Sin embargo, actualmente se conoce que en muchos casos la resistencia determinada por el reconocimiento específico de estos efectores por parte de las proteínas R en la planta, se puede perder debido a que el patógeno puede modificar estos efectores ya reconocibles o generar nuevos que no son reconocido por las plantas antes resistentes. Este fenómeno que ha sido relacionado con la pérdida de resistencia o “quiebre de resistencia”, está determinado por la evolución del microorganismo agresor (Mcdonald & Linde 2002; Bent & Mackey 2007). Así mismo, la presencia de estos nuevos efectores en el patógeno, puede generar selección natural en las plantas hospederas, favoreciendo aquellas que contengan nuevas proteínas R que permitan el reconocimiento de estos nuevos factores de virulencia. Este modelo en el que se presentan finalmente tres líneas de defensa vegetal, ha sido descrito por varios autores como el modelo zig-zag (J. D. G. Jones & Dangl 2006; Dodds & Rathjen 2010)

Tal y como se puede evidenciar en esta revisión, el fenómeno de reconocimiento es central en el proceso de interacción planta-patógeno. Sin embargo, otro aspecto fundamental que puede determinar la resistencia vegetal, es la acción de los mecanismos de defensa que presenta la planta. A continuación, se presentan algunos de los mecanismos que se abordaron en esta investigación.