¿Cómo adquieren la tolerancia al frío los hongos patógenos de productos poscosecha durante el almacenamiento a bajas temperaturas?

Las frutas y verduras son ricas en nutrientes valiosos, pero también son propensas a disminuir la calidad después de la cosecha debido a su propio deterioro fisiológico y daños por descomposición causados ​​por la contaminación de microbios patógenos.

El almacenamiento en frío poscosecha es la estrategia más común y eficiente para prolongar la vida útil de los cultivos frescos, no solo para reducir las tasas de respiración y senescencia de los vegetales, sino también para suprimir el desarrollo de los microorganismos deterioradores.  

Sin embargo, el almacenamiento a bajas temperaturas puede provocar daños irreversibles a las frutas y hortalizas.

Por otro lado, algunos microorganismos psicrófilos (capaces de sobrevivir y desarrollarse a bajas temperaturas), pueden deteriorar seriamente los productos almacenados.

Mecanismos de adaptación de los microorganismos al estrés por frío

El estímulo por el frío en los microorganismos también puede inducir la expresión de proteínas de estrés, que actúan como chaperonas de ARN, inhibiendo la formación de cristales de hielo y reduciendo el punto de congelación participando en el procesamiento y formación de los ribosomas, y la transcripción del ARN, a fin de mantener un cierto nivel de expresión genética estimulando su desarrollo.

El estrés por baja temperatura también puede conducir al aumento de especies reactivas de oxígeno (ROS) y estrés oxidativo, que es una de las formas importantes para que los microorganismos se adapten al estrés en baja temperatura regulando la actividad de las enzimas oxidasa para eliminar las ROS y proteger sus células de los daños causados por los radicales libres.

También, se ha descubierto que la enzima histidina quinasa bicomponente Hik33, que se encuentra en la membrana celular, es un receptor que detecta las bajas temperaturas, y es responsable de regular la respuesta rápida de las células microbianas al estrés por el frío. 

En Saccharomyces cerevisiae (hongo, levadura), la trehalosa (un azúcar disacárido) puede proteger a las células del daño por bajas temperaturas, y el factor de transcripción Msn2-Msn4, que es una vía de señalización de estrés, puede regular la expresión de los genes de la trehalosa sintasa TPS1 y TPS2, afectando así la adaptabilidad de la levadura a bajas temperaturas.

Los microorganismos psicrófilos pueden mantener la interacción, flexibilidad y topología de biomacromoléculas, y regular el equilibrio entre sustratos y productos, el ensamblaje macromolecular y el plegamiento proteico adecuado a través de la expresión de genes específicos, adaptándose así fácilmente a las  bajas temperaturas.

Adaptación de Botrytis cinerea al estrés por frío

Sin embargo, la mayoría de los hongos fitopatógenos suele estar adaptada a ambientes templados, y las condiciones refrigeradas para frutas y verduras después de la cosecha, exigen una adaptación al estrés por el  frío aunque por un corto período de tiempo 

Las especies de hongos del género Botrytis (Ascomycota) son patógenos vegetales necrótrofos que causan serias lesiones en las células hospedadoras llegando a destruirlas completamente.

La principal especie, B. cinerea, es reconocido como uno de los hongos patógenos vegetales más importantes, atacando más de 1400 especies provocando severos daños a cultivos de frutas, hortalizas y flores económicamente importantes en todo el mundo 

B. cinerea también es conocido por su fuerte tolerancia al frío, lo que facilita que el hongo siga su desarrollo a bajas temperaturas causando el moho gris en diversas frutas y verduras almacenadas en refrigeración. 

Un estudio reciente con B. cinerea reveló que la proteína SUMO BcSmt3 y su objetivo de SUMOilación son necesarios para el crecimiento micelial a baja temperatura. Sin embargo, a diferencia de BcSmt3, la proteína SUMO en Fusarium graminearum (FgSmt3) y Magnaporthe oryzae (MoSmt3) no está involucrada en el crecimiento a baja temperatura, lo que indica que la función de adaptación a baja temperatura para la proteína SUMO es específica para B. cinerea. 

Papel de los solutos en la célula

En células eucarióticas, el contenido de polioles es directamente proporcional a la concentración de los solutos e inversamente proporcional a la actividad del agua. Aunque el movimiento del agua contribuye a la concentración final de polioles internos, la variable más importante es la proporción actual de polioles en la masa celular seca. Esto se ha demostrado, por ejemplo, en el alga Dunaliella sp en crecimiento a concentraciones salinas extremas. 

Bajo condiciones de estrés osmótico, el poliol más comúnmente producido en altas concentraciones por S. cerevisiae es el glicerol, aunque también sesintetizan, pero en menores cantidades, sorbitol, manitol y xilitol. 

Se ha demostrado que la acumulación de osmolitos orgánicos en condiciones de hipertonicidad producida por sustancias tales como glicerol o trehalosa se controla mediante la activación de 2 rutas metabólicas celulares independientes, denominadas “del glicerol de alta osmolaridad” (HOG, por sus siglas en inglés) y “de la integridad de la pared celular” (CWI), así como sus sucesivas cascadas de señales de proteínas quinasas activadas por mitógeno (MAPK, MAPKK y MAPKKK).

Nivel de expresión de genes inducidos por el frío

Recientemente se investigó principalmente B. cinerea como especie modelo, revelando que la baja temperatura podría inducir de forma rápida y continua los niveles de expresión de los genes relacionados con el metabolismo de los glicerolípidos y la vía HOG-MAPK. 

La ruta HOG es la más conocida; se activa por 2 rutas de señalización también independientes entre sí, Sho1 y Sln1, cuyo objetivo final es inducir la transcripción del gen de la enzima Gpd1p, necesaria para sintetizar glicerol. El glicerol se encarga de generar un cambio en la osmolaridad intracelular que conducirá a la adaptación de las células al estrés, al mantener un ambiente bioquímico óptimo para el funcionamiento celular, así como la recuperación apropiada en ambientes subóptimos, que, de otra manera, afectarían la supervivencia de la célula. Ambas rutas de señalización robustecen la respuesta al estrés por parte de la célula, de modo que son complementarias.

Papel de lípidos y proteínas

El contenido de lípidos varía considerablemente en el micelio y en los microesclerocios. Los lípidos ayudan a mantener niveles bajos de respiración en condiciones adversas durante largos períodos, mientras que proveen energía para la germinación de los cuerpos reproductivos. 

El ácido fosfatídico y el fosfatidil glicerol son los componentes mayoritarios de las membranas plasmáticas de los microesclerocios, mientras que la fosfatidil etanolamina y el fosfatidil glicerol son más abundantes en las del micelio. 

Estudios recientes han revelado que la vía de la proteína quinasa activada por mitógenos del glicerol de alta osmolaridad (HOG) de Saccharomyces cerevisiae es necesaria para la osmoadaptación y contiene dos ramas que activan una proteína quinasa activada por mitógenos (Hog1) a través de otra proteína quinasa activada por mitógenos (Pbs2).

Han sido caracterizadas las funciones de los componentes comunes de la vía (Hog1 y Pbs2) en respuesta a la osmolaridad elevada mediante el uso de perfiles de expresión del genoma completo. Se revelaron varias características nuevas de la vía HOG. Los fenotipos de los mutantes pbs2 y hog1 son idénticos, lo que indica que la única función de Pbs2 es activar Hog1. La vía general de respuesta al estrés y ambas ramas de la vía HOG funcionan en alta osmolaridad. Estos estudios demuestran que las células responden a una osmolaridad aumentada utilizando diferentes mecanismos de transducción de señales en diferentes condiciones.

El componente central de la vía HOG-MAPK, BcSAK1, se mejora durante la fosforilación y la localización nuclear tras el estímulo por el  frío.

En un estudio actual, se llevaron a cabo estudios de expresión y mutación genética, bioquímica y estructuras celulares, revelando que la baja temperatura podría inducir de manera rápida y continua los niveles de expresión de los genes relacionados con el metabolismo de los glicerolípidos y la vía HOG-MAPK en B. cinerea.

El análisis Western blot mostró que el tratamiento a baja temperatura mejora el nivel de fosforilación de BcSAK1, el componente central de la vía HOG-MAPK de B. cinerea, y aumenta la proporción de localización de BcSAK1 en los núcleos. 

La eliminación de BcSAK1 inhibe significativamente el crecimiento de hongos a baja temperatura. La inhibición de HOG-MAPK también inhibe la localización nuclear de BcSAK1 y suprime la germinación de esporas y el crecimiento micelial del moho gris a baja temperatura. 

El tratamiento a baja temperatura puede regular la tolerancia al frío de Botrytis

Estos resultados indican que el tratamiento a baja temperatura puede regular la tolerancia al frío de B. cinerea activando la vía de señalización HOG-MAPK.

La vía HOG-MAPK desempeña un papel altamente conservado en la regulación de la tolerancia al frío de los patógenos poscosecha. Los estudios futuros que apuntan a revelar los objetivos clave y las redes reguladoras posteriores de HOG-MAPK en respuesta a las bajas  temperaturas sentarán las bases para el control de las enfermedades tolerantes al frío de las frutas poscosecha

El análisis de mutantes de deleción sugiere que BcSAK1 es necesario para la tolerancia al frío. De forma similar, los homólogos de Hog1 en Fusarium asiaticum y Alternaria alternata también son esenciales para la adaptación al frío de los dos hongos patógenos. La inhibición de HOG (a vía de la proteína quinasa activada por mitógenos del glicerol de alta osmolaridad)-MAPK (una subfamília de proteínas-quinase que responde a estímulos externos y regula diversas actividades celulares) bloquea la expresión a nivel nuclear. El análisis de mutantes de deleción del gen homólogo Hog1 en Fusarium asiaticum y Alternaria alternata mostró que Hog1 también es esencial para la tolerancia al frío de estos dos hongos patógenos.

El componente central de la vía HOG-MAPK, BcSAK1, es mejorado con la fosforilación y la localización nuclear tras un estímulo de frío.

Una herramienta potencial para controlar patógenos tolerantes al frío

En conjunto, este estudio sugiere que la vía HOG-MAPK desempeña un papel relevante en la regulación de la tolerancia al frío de los patógenos poscosecha, y representa un objetivo importante de estudios para controlar las enfermedades tolerantes al frío de las frutas almacenadas.

Fuentes

Yan, W.; Su, Z.; Zhou, G.;   Lin, Y.; Ren, W.; Liao, J.; Zhu, C.; Wang, C.; Ren, D. D.; Wang, Y.; Suthaparan, A.; Xu, L.; Zhu, P (2025)
Cold tolerance of postharvest fungal pathogens is regulated by the conserved high osmolarity glycerol (HOG) pathway
Postharvest Biology and Technology, 219: 113206

Villarreal, R. M.; Romero, T. S. G.; Medina, V. R. M.; Delgado, S. H.; Pérez, N. M. (2016)
Biochemical basis of tolerance to osmotic stress in phytopathogenic fungus: The case of Macrophomina phaseolina (Tassi) Goid.
Revista Argentina de Microbiología, 48 (4): 347-357

O'Rourke, S. M.;  Herskowitz, I. (2004)
Unique and Redundant Roles for HOG MAPK Pathway Components as Revealed by Whole-Genome Expression Analysis
Mol Biol Cell., 15(2): 532–542

Imágenes

https://www.mdpi.com/2223-7747/10/12/2737  Acceso el 27/09/2024.