Pais: Brasil

Fecha: 24 de Marzo del 2021

La investigación identifica genes involucrados en la resistencia a la enfermedad de la hoja del árbol del caucho por Embrapa, Brasil

- Un estudio sin precedentes de Embrapa identificó mecanismos moleculares relacionados con la resistencia de las especies de árboles de caucho a la peor enfermedad que afecta al cultivo: la enfermedad de las hojas.

- La enfermedad es transmitida por el hongo Paracercospora ulei y daña el cultivo del caucho en las regiones cálidas y húmedas de Sudamérica.

- La investigación allana el camino para generar plantas resistentes a esta enfermedad a partir de programas de mejora genética. .

- También apunta a la posibilidad de incrementar el cultivo de caucho en la Amazonía, beneficiando al sector productor de látex.

- Expertos de varias instituciones en el área molecular se combinaron en el estudio científico, publicado en una revista internacional.

- Se han identificado genes de resistencia en especies de árboles de caucho menos productivas. La idea es combinar y cruzar genes para generar plantas resistentes y productivas en beneficio del cultivo del caucho amazónico. 

 

Un trabajo de investigación sin precedentes llevado a cabo por Embrapa logró esclarecer los mecanismos moleculares que hacen que algunas especies de árboles de caucho sean resistentes y otras susceptibles a la enfermedad de las hojas. La enfermedad, causada por el hongo  Paracercospora ulei  (previamente identificado como  Microcyclus ulei),  es el peor problema que enfrenta el cultivo del caucho en las regiones cálidas y húmedas de América del Sur y representa uno de los principales obstáculos para el cultivo del caucho en la Amazonía. La investigación es estratégica para el mejoramiento genético de este cultivo y abre el camino a soluciones tecnológicas que ofrezcan al sector productivo del látex plantas más productivas y resistentes.

 

De las diferentes especies de árboles de caucho ( Hevea spp. ), Algunas han sido utilizadas en el programa de mejoramiento genético de árboles de caucho de Embrapa. La  Hevea brasiliensis  es conocida como la más productiva y Hevea guianensis de látex   y  Hevea pauciflora,  aunque menos productiva, han mostrado resistencia de láminas deficientes. Buscando entender qué hace que una especie sea resistente y otras no, se analizaron los genes de estas tres especies de árboles de caucho y un híbrido, con el fin de identificar qué genes y su nivel de expresión en la interacción entre plantas y patógeno (en este caso, el hongo que causa la enfermedad de las hojas).

 

“Por primera vez en el mundo se comprenden, a nivel molecular, algunos de los mecanismos que resultan en susceptibilidad o resistencia a la enfermedad de las hojas. Y tuvimos la oportunidad de identificar varios genes responsables de los mecanismos de resistencia que, durante muchas décadas, han sido descritos por los fitopatólogos en cuanto a la fisiología y morfología de los síntomas de la enfermedad, lo cual fue muy gratificante ”, dice la investigadora de Embrapa  Paula Angelo. , que trabaja en biología molecular / genética de plantas y cultivo de tejidos.

 

Los resultados de la investigación se describen en el artículo científico " Expresión diferencial y polimorfismo estructural en genes del árbol del caucho relacionados con la resistencia al tizón foliar sudamericano ", publicado en la revista  Physiological and Molecular Plant Pathology .

 

El trabajo fue concebido por la investigadora, cuando trabajaba en  Embrapa Amazônia Ocidental  (AM) - actualmente se encuentra en  Embrapa Café  (DF) - y realizado por un equipo de investigadores de Embrapa que incluía a  Gilvan Silva , coordinador del Laboratorio de Biología Molecular. en Embrapa Western Amazon, y  Michel Yamagishi , del  Laboratorio de Bioinformática multiusuario  de  Embrapa Information Technology , con sede en Campinas (SP). También participaron en el trabajo el fitopatólogo  Luadir Gasparotto  y el técnico  Jeferson Chagas da Cruz , ambos de Embrapa Amazônia Ocidental.

 

 

 

Enfermedad de las hojas

La enfermedad foliar, causada por el hongo  Paracercospora ulei , es considerada la peor enfermedad en el cultivo del caucho, ya que reduce la producción de látex y puede llevar a la muerte de las plantas, generando pérdidas en el cultivo del caucho.

 

La aparición del hongo foliar se extiende por Sudamérica y representa uno de los principales obstáculos para la implantación del cultivo del caucho en regiones cálidas y húmedas, como la Amazonia. “El hongo se produce desde México hasta el norte de Paraná, en Brasil”, concluye Gasparotto.

 

Integración de experiencia para desentrañar los mecanismos moleculares.

La recolección de hojas de los clones del árbol del caucho se llevó a cabo en áreas donde se encontraba el hongo en Manaus. Uno de los desafíos fue cosechar en la etapa correcta (etapa de desarrollo de la planta) y extraer ARN de buena calidad, un proceso obstaculizado por el látex, lo que llevó a la necesidad de probar diferentes métodos, explica Angelo. La recolección y extracción de ARN de los materiales fue realizada por el Laboratorio de Biología Molecular de Embrapa Amazônia Ocidental.

 

El transcriptoma (conjunto completo de transcripciones de ARN) de cada uno de los clones de  H. brasiliensis, H. pauciflora, H. guianensis  y un híbrido de  H. guianensis x H. nitida  se secuenció en el Laboratorio Central de Tecnologías de Alto Rendimiento en Ciencias de la Vida. ( Lactad ) en  Unicamp , contratada para brindar servicios de RNA-seq. Esta técnica de secuenciación de última generación permite estimar la cantidad de ARN mensajero (transcrito) producido por los genes activos (genes expresados, que juntos generan el transcriptoma) en el momento y condición en que se recolectan las muestras.

 

El Laboratorio Multiusuario de Bioinformática de Embrapa Informática Agropecuária recibió estos datos en bruto, las  lecturas  (pequeños fragmentos de copias de ARN de árboles de caucho). “Para tener una idea del volumen de datos, se generaron 294 millones de secuencias en este proyecto”, dice Yamagishi, un doctorado en matemáticas aplicadas.

 

El investigador agrega que el siguiente paso fue ensamblar el transcriptoma, algo similar a encajar piezas en un rompecabezas, con superposiciones de estas secuencias hasta que se formó la transcripción. Estas transcripciones están asociadas con los genes que se expresan en esa planta en el momento de la extracción del ARN. Dice que el ensamblaje de este transcriptoma requirió una metodología específica y, luego, se realizaron dos análisis diferentes, uno de expresión diferencial de genes y otro de identificación de marcadores moleculares.

 

En el análisis de la expresión diferencial de genes, Yamagishi explica que, a partir de las transcripciones ensambladas, se calcula una medida que da la idea de cuánto se expresa esa transcripción en esa muestra. “Comparamos estas muestras entre sí y encontramos 327 genes o transcripciones que se expresaron diferencialmente entre plantas resistentes y plantas susceptibles”, informa.

 

Selección de genes y marcadores moleculares.

A partir de ahí, se seleccionaron 45 genes directamente involucrados en la interacción planta-patógeno. Los criterios para esta elección se basaron en la investigación de las rutas metabólicas en las que se incluyen las 327 transcripciones expresadas diferencialmente en los árboles de caucho y en las relaciones entre las rutas metabólicas en las que participan las 45 seleccionadas, dice Angelo. 

 

Los procesos de preparación para la selección de los 45 genes se realizaron mediante programas que indican la asociación entre aquellos que participan en procesos metabólicos comunes y las interacciones entre los diferentes procesos metabólicos en las células. Las bases de datos consultadas para descubrir las asociaciones e interacciones entre los genes se alimentan con datos de especies de plantas modelo, como  Arabidopsis,  que también se utilizó para registrar la identidad de parte de los genes del genoma de referencia de  H. brasiliensis , publicado en 2013. “Tras estos análisis, seleccionamos los genes con mayor potencial de implicación en los mecanismos de defensa que se dan en las hojas del árbol del caucho expuestas a  P. ulei , que provoca la enfermedad foliar”, explica la investigadora.

 

En el segundo análisis, se encontraron dos tipos diferentes de marcadores moleculares, que son variaciones genómicas encontradas en las transcripciones. “Identificamos 1.723 SNPs [ Single Nucleotide Polymorphism , acrónimo en inglés, pronunciado snip], que son variaciones en las secuencias de genes que involucran un solo nucleótido, además de 308 microsatélites, que son regiones repetitivas que varían en número de repeticiones.

 

Si suma estos dos números, totaliza 2.031 variaciones genómicas. A partir de ahí, tomamos estos 1.723 SNP y tratamos de asociarlos con el fenotipo de resistencia y susceptibilidad. Y descubrimos que la mayoría de estos SNP realmente difieren consistentemente entre plantas susceptibles y resistentes ”, dice Yamagishi.

 

“Esta última fase tuvo curación humana, porque no siempre los polimorfismos identificados automáticamente, que distinguían el genoma de referencia de  H. brasiliensis  del resto de especies / clones analizados durante la investigación, estaban asociados a los fenotipos de resistencia o susceptibilidad”, agrega. Angelo.

 

“La identificación de estos marcadores moleculares permite seleccionar genotipos con mayor potencial genómico de resistencia a la enfermedad de las hojas”, dice Yamagishi. Esta información se puede aplicar en el mejoramiento genético para desarrollar plantas de árboles de caucho resistentes a esta enfermedad que afecta el cultivo del caucho.

 

Comprender la diferencia para combinar productividad y susceptibilidad

La investigadora Paula Angelo dice que la cianogénesis es uno de los ejemplos de un mecanismo ya conocido fisiológicamente que ahora se puede entender, al menos en parte, a nivel molecular. La producción de ácido cianhídrico (HCN) es una reacción de defensa de las plantas, ya que es tóxico para muchos patógenos que causan enfermedades. Aunque el ácido cianhídrico producido por la hoja del árbol del caucho es importante en la resistencia a ciertos patógenos, frente al hongo  P. ulei  la reacción es diferente.

 

Según el investigador, desde hace varias décadas los estudios indican que el hongo está bastante adaptado a la presencia de ácido cianhídrico. Y también ya se sabía que hay una paradoja, porque la planta que produce más ácido cianhídrico (como defensa) no se vuelve la más resistente. Explica que en este estudio se encontró que uno de los genes que codifica la enzima linamarasa involucrada en la producción de ciano-aminoácidos (especialmente linamarina) se expresa más en las hojas de especies susceptibles y que uno de los genes de las lisas de hidroxinitrilo , una enzima que participa en la "ruptura" de ciano-aminoácidos para liberar ácido cianhídrico libre, se expresa más en especies resistentes.

 

"Estos datos corroboran la información registrada durante décadas de que la especie  Hevea los animales susceptibles tienen buen potencial cianogénico (producen muchos cianoaminoácidos), pero son especies resistentes que tienen buena capacidad cianogénica porque son capaces de liberar ácido cianhídrico libre con mayor rapidez o cantidad ”, dice el investigador, agregando que, juzgando por la expresión diferencial de genes, los resistentes son capaces de liberar cianuro rápidamente, a pesar de no tener tanta reserva acumulada. Las especies susceptibles son incapaces de generar ácido cianhídrico libre con la misma eficacia, a pesar de acumular cantidades mucho mayores de precursores en las células, según el investigador. El resultado de estas reacciones opuestas, que ocurren internamente a nivel molecular, también se manifiesta externamente en la planta.

 

Angelo menciona que los resultados de la investigación permitieron determinar que los clones de caucho susceptibles sobreexpresan vías metabólicas sensibles al ácido salicílico y al ácido jasmónico simultáneamente, entrando en un ciclo autodestructivo. Los clones resistentes exhibieron un control del estrés altamente coordinado y rutas del ácido salicílico.

 

Para el investigador, esto posiblemente ocurra "porque en plantas susceptibles, el reconocimiento de la presencia del hongo y el desencadenamiento de respuestas al ácido salicílico son más lentos". Con base en los estudios realizados, cree que “debido a este proceso, la colonización de las hojas por el hongo progresa más ampliamente, y también se activan las respuestas estimuladas por el ácido jasmónico, incluida la producción de ácido cianhídrico. Todo esto genera mucho estrés oxidativo, que actúa sobre las cadenas de transporte de electrones, las hojas se caen, sobre todo cuando hay sequía, y las plantas susceptibles pierden productividad. Otros procesos, como la fotosíntesis y la renovación de tejidos, se ven obstaculizados ”, explica.

 

Así, los clones de  Hevea brasiliense , aunque son más productivos en látex, son más susceptibles cuando están bajo ataques muy concentrados del hongo.

 

Los clones de plantas resistentes, incluso en áreas con presencia del hongo, son capaces de producir tejido nuevo y tienen mayor plasticidad para convivir con el hongo. Los clones de  Hevea pauciflora  y  Hevea guianensis  muestran ser más resistentes al hongo porque además de poder liberar cianuro en cantidades suficientes y rápidamente, también tienen otros mecanismos de defensa, como un inhibidor de la poligalacturonasa, y respuestas de hipersensibilidad activadas por ayuno. ácido salicílico y eficaz.

 

Combinando genes para avanzar en la reproducción

El investigador explica que con el mejoramiento asistido por marcadores moleculares es posible obtener clones de árboles de caucho con las características ideales de resistencia y productividad para cultivar caucho en el bioma amazónico, en menos tiempo.

 

El jefe general de Embrapa Amazônia Ocidental,  Everton Cordeiro , investigador que ha estado trabajando en el mejoramiento de los árboles de caucho durante los últimos diez años, destaca la importancia del aporte de este estudio de biología molecular para definir y comprender la dirección de la investigación con árboles de caucho en Amazonas. “Este trabajo dilucida, desde el punto de vista genético, muchas de las situaciones que se desarrollaron a partir de la cría convencional”, observa.

 

Cordeiro agrega que el estudio brinda explicaciones moleculares del éxito obtenido por los cruces realizados por el investigador de Embrapa Vicente Moraes (ya fallecido) y que culminaron con la liberación de materiales resistentes al tizón foliar. “Estas explicaciones aportadas por la biología molecular aclaran cómo estamos logrando resistencia a la enfermedad de las hojas para nuestras condiciones aquí. Es un trabajo que es muy importante para el cultivo del caucho en Amazonas y en el país ”, dice.

 

Cordeiro comenta que uno de los clones analizados ya fue una de las apuestas del Programa de Mejoramiento del Árbol de Caucho realizado en Embrapa Amazônia Ocidental para producción con resistencia moderada. El clon fue identificado por los fitopatólogos de Embrapa José Clério Rezende (ya fallecido) y Luadir Gasparotto a partir del fenotipo en campo. “El estudio mostró que este clon tiene características moleculares iguales a las de los clones de especies resistentes”, revela Angelo, refiriendo que esto refuerza el uso de herramientas moleculares como aliados en la selección de plantas para el mejoramiento genético.

Traducido del portugués.

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