Las sustancias elicitoras, una protección natural también en poscosecha

Investigadores demuestran el efecto de los elicitores en poscosecha como mecanismo para activar el sistema natural de defensa contra enfermedades y plagas

Beatriz Riverón, Bioquímico farmacéutica

  El consumo de frutas y hortalizas representa un aporte esencial de nutrientes, como vitaminas, minerales y antioxidantes entre otros, que benefician la salud. Sin embargo, datos recientes muestran que alrededor del 50 % de la producción mundial se pierde durante el almacenamiento. Aunque las bacterias y los virus también ocasionan pérdidas, los hongos son principalmente los mayores agentes causales del desperdicio. En este contexto, los plaguicidas sintéticos se han utilizado para controlar diversos fitopatógenos durante la poscosecha, pero su uso frecuente ha promovido resistencia microbiana, además de dejar residuos promoviendo efectos nocivos para la salud y riesgos ambientales. Por lo tanto, los esfuerzos de colaboración de algunas políticas gubernamentales y la Organización para la Agricultura y la Alimentación han recomendado que se restrinja el uso de pesticidas sintéticos en la agricultura.  

Efecto de los elicitores en poscosecha: alertan al sistema de defensa de las plantas

El desarrollo de nuevas estrategias inocuas ha llevado al uso de sustancias de origen biológico con capacidad de inducir el sistema de defensa de las plantas, lo que mejora la respuesta de los productos poscosecha frente a ataques de patógenos y reduce la incidencia de enfermedades. Estas sustancias se conocen como “elicitores”. Durante estos últimos años, numerosas investigaciones han estudiado el efecto de los elicitores en poscosecha. Las plantas poseen sistemas de defensa complejos y sofisticados que activan su respuesta para contrarrestar el daño causado por microorganismos patógenos, insectos o factores ambientales. Los elicitores (o también inductores) son compuestos orgánicos producidos por las plantas u otros organismos, como defensa contra depredadores o en respuesta a infecciones. Actúan de diversas formas. Pueden potenciar la resistencia contra patógenos vegetales, y su aplicación es una estrategia para el control de enfermedades poscosecha al activar el sistema “inmunológico” en frutas y hortalizas.

Síntesis de compuestos con capacidad antimicrobiana y antioxidante

Los elicitores desencadenan la síntesis de metabolitos secundarios como compuestos fenólicos, flavonoides, lignina, fitoalexinas y otros, que tienen un efecto antimicrobiano y mejoran la capacidad antioxidante de los frutos. Además, cuando se activa el sistema de defensa, se produce un aumento de los niveles de varias enzimas relacionadas con la defensa, como la fenilalanina amoniaco liasa, la superóxido dismutasa, la peroxidasa y la polifenol oxidasa, enzimas que detienen la progresión de la peroxidación lipídica de la membrana y el estrés oxidativo desencadenado por el ataque de patógenos.

Detección de los patógenos

Las plantas detectan patógenos a través de receptores de reconocimiento ubicadas en la membrana plasmática lo que conduce a la producción de especies reactivas de oxígeno (ROS), proteína G (una clase de proteínas implicadas en la transducción de señales celulares; es un importante mediador de las vías metabólicas), ubiquitina (una proteína que desempeña un papel importante en la regulación de las proteínas; marca proteínas no deseadas para que sean degradadas por un complejo multiproteico llamado proteosoma), de la activación de proteínas quinasas (enzimas que catalizan la adición de grupos fosfato), señalización de calcio y por hormonas, factores de transcripción y modificaciones epigenéticas, que regulan la expresión de genes relacionados con la patogénesis.

Moléculas efectoras activan el "sistema inmunitario"

Una vez que los patógenos son percibidos, la planta produce moléculas efectoras que actúan como indicadores del potencial patógeno o factores de virulencia y desencadenan la activación del “sistema inmunitario”. La producción de ROS juega un papel esencial en los mecanismos de defensa, un proceso conocido como explosión oxidativa, donde la producción de anión superóxido, radical hidroxilo y peróxido en respuesta a heridas o ataques de patógenos. Hormonas como ácido salicílico, ácido jasmónico, etileno, ácido abscísico, óxido nítrico, citoquininas, giberelinas, auxinas y brasinoesteroides participan en las cascadas de señalización durante la activación del sistema de defensa. El ácido jasmónico y el etileno juegan un papel vital en la respuesta de las plantas a patógenos necrotróficos e insectos herbívoros; por ejemplo, pueden regular la liberación de compuestos volátiles en respuesta a herbívoros como las orugas (las secreciones orales de la oruga inician este proceso). [caption id="attachment_23716" align="aligncenter" width="550"] Resumen gráfico del trabajo de E. Torres et al. (2023)[/caption]

Las tecnologías ómicas ayudan a entender los mecanismos de defensa

Durante las últimas décadas, las tecnologías ómicas como la genómica, la transcriptómica, la proteómica y la metabolómica han ampliado el conocimiento sobre la función de genes o proteínas involucradas en el sistema de defensa de frutas y verduras. Por ejemplo, se han realizado análisis transcriptómicos del sistema de interacción del fruto del aguacate-quitosano-Colletotrichum, reportando que el quitosano actúa como una molécula inductora capaz de activar múltiples respuestas metabólicas en el fruto que en conjunto implementan un sistema de defensa capaz de contrarrestar la infección por Colletotrichum gloeosporioides. En otro trabajo, un estudio metabolómico en frutos de mandarina tratados con lipopéptidos cíclicos de Bacillus subtilis mostró un aumento en la acumulación de metabolitos secundarios. También, en respuesta al ácido salicílico, al oligoquitosano y a la levadura Pichia membranaefaciens, se induce la vía fenilpropanoide (los fenilpropanoides sirven como precursores de una serie de polímeros naturales, que brindan protección contra la luz ultravioleta, defensa contra herbívoros y patógenos, y median en las interacciones planta-polinizador a través de la pigmentación y los compuestos aromáticos florales).

Los factores abióticos también intervienen

Además, se ha demostrado que factores abióticos como la luz, la temperatura, el estrés osmótico o hídrico afectan las interacciones planta-microbio que modulan la inmunidad de la planta; en este sentido, las plantas bajo estrés causado por sequía, sal, calor o frío muestran diferentes patrones de fluctuaciones del nivel de calcio citosólico que inducen una señalización regulada por la hormona ácido abscísico la cual es vital en múltiples roles en el estrés abiótico y biótico. Los elicitores químicos como hormonas vegetales, polisacáridos, oligosacáridos, lípidos, proteínas, péptidos y aceites esenciales, y los elicitores biológicos, como las levaduras antagónicas y las bacterias promotoras del crecimiento, han sido evaluados exitosamente en las frutas durante la etapa de poscosecha.

Algunos ejemplos de aplicación de elicitores para la prevención de fitopatógenos en frutas poscosecha

Muchos de los agentes de control biológico inducen vías de defensa en la planta para aumentar la resistencia del huésped contra un patógeno oportunista. Entre ellos, los más estudiados se encuentran las especies de Bacillus. Recientemente, el uso de Bacillus atrophaeus TE7 mostró una eficacia de biocontrol del 85,56% en frutos de mango; este tratamiento fue eficaz para controlar el desarrollo de Cladosporium cladosporioides. Bacillus subtilis ABS-S14 genera metabolitos secundarios como lipopéptidos cíclicos que controlan eficazmente la enfermedad del moho verde en las mandarinas. El extracto de lipopéptidos cíclicos aumenta la producción de enzimas en las vías metabólicas de Ca²⁺, ácido abscísico, glucólisis y señalización de ROS, lo que desencadena la expresión de genes que resultan en la activación de la vía SAR (resistencia sistémica adquirida). Se han realizado análisis transcriptómicos del sistema de interacción del fruto del aguacate-quitosano-Colletotrichum, reportando que el quitosano actúa como una molécula inductora capaz de activar múltiples respuestas metabólicas en el fruto que en conjunto implementan un sistema de defensa capaz de contrarrestar la infección por Colletotrichum gloeosporioides. En otro trabajo, un estudio metabolómico en frutos de mandarina tratados con lipopéptidos cíclicos de Bacillus subtilis mostró un aumento en la acumulación de metabolitos secundarios. Las levaduras también han demostrado eficacia en el control de enfermedades. Se ha establecido la eficacia del tratamiento con Pichia guillermondi y Kloeckera apiculata en ciruela. Se demostró que estas dos levaduras controlan la infección por Monilinia fruticula, y la colonización de estas levaduras en la fruta activa la ruta del fenilpropanoide a través de la activación de enzimas que catalizan la biosíntesis de algunos metabolitos como la lignina, los flavonoides y los compuestos fenólicos, que pueden prevenir el desarrollo de patógenos. Varios estímulos físicos, como la luz ultravioleta-C (UV-C), el calor y los tratamientos hipobárico e hiperbárico, pueden inducir cambios en los tejidos del huésped, incluida una mayor resistencia al estrés abiótico y biótico. Las nuevas tecnologías, como la luz policromática pulsada de alta intensidad aplicada a los tomates, retrasan la maduración e inducen la resistencia de los frutos a la enfermedad ocasionada por B. cinerea en términos de reducción de los síntomas. La respuesta de resistencia en las plantas es modulada principalmente por fitohormonas como ácido salicílico, ácido jasmónico y etileno, entre otras, las cuales juegan un papel central en la regulación de los procesos de defensa. En este sentido, la búsqueda de nuevas hormonas que puedan modular la respuesta de la fruta al ataque de patógenos ha ganado popularidad en los últimos años; por ejemplo, el benzotiadiazol y el ácido indol-3-acetoacético se han aplicado con éxito en frutas como inductores del sistema de defensa. Asimismo, los polisacáridos de fuentes naturales como el quitosano, los fructooligosacáridos, la carragenina o los fucanos se han considerado elicitores eficientes y, recientemente, los fructanos de Agave (un género de plantas suculentas de la familia Asparagaceae, originario de México) se informaron como elicitores efectivos para controlar la antracnosis en la fruta del aguacate. Además, algunos metabolitos de las plantas, como la epicatequina, la quercetina y los aceites esenciales, se utilizan para el control de enfermedades poscosecha. Los péptidos como mytichitin-CB y Epsilon-poly-l-lisine inducen resistencia a enfermedades en frutos de tomate cherry y manzana, respectivamente, y proteínas como harpin (una proteína altamente termoestable secretada por Pseudomonas syringae) fueron adecuadas para controlar el moho gris en fresas; esto se asoció con el incremento en la actividad de la enzima fenilalanina-amonioliasa (que participa en la biosíntesis de los compuestos polifenólicos, como los flavonoides, los fenilpropanoides y la lignina en las plantas) e indujo una respuesta de defensa que influyó en la mejora de los atributos de calidad en fresas. Como ya mencionado, los polímeros de carbohidratos se consideran elicitores, y uno de los más estudiados es el quitosano ya que ha demostrado su eficacia en el control de diversas enfermedades poscosecha. El quitosano actúa como una molécula capaz de inducir múltiples respuestas metabólicas en el fruto del aguacate que implementan colectivamente un sistema de defensa capaz de contrarrestar la infección por C. gloeosporioides. Actúa por diferentes mecanismos, entre los que se destaca su capacidad para inducir el sistema de defensa; en este sentido, el análisis transcriptómico en aguacate durante el desarrollo de la antracnosis causada por Colletotrichum gloeosporioides reveló que genes expresados diferencialmente aumentaron significativamente en diferentes vías metabólicas involucradas en el sistema de defensa, por ejemplo, procesos celulares, procesos metabólicos, respuesta al estrés abiótico o estímulo biótico, procesos biológicos, transporte, organización celular y biogénesis y transducción de señales así como genes involucrados en la biosíntesis de fenilpropanoide, factores de transcripción y genes implicados en la biosíntesis de dienos. Otro polímero de carbohidrato utilizado es el dextrano, un glucano complejo ramificado que consta de enlaces glucosídicos α-1,6 y enlaces α-1,3 entre monómeros de glucosa. Su aplicación tomates maduros inhibió el moho gris causado por B. cinérea. Además, el análisis transcriptómico reveló que las vías metabólicas de la biosíntesis de fenilpropanoide, la biosíntesis de flavonoides, el metabolismo del ácido linoleico, la biosíntesis de estilbenoides, diarilheptanoide y gingerol, la interacción planta-patógeno y la transducción de señales de hormonas vegetales se regularon significativamente en respuesta al tratamiento con elicitor de dextrano. También, compuestos inorgánicos como el silicio, el óxido nítrico, el CO2 y el carbonato de sodio mejoran las respuestas de la fruta a situaciones de estrés. La aplicación de gases exógenos, como ozono y óxido nitroso, mejora la resistencia a enfermedades en frutos de mandarina, uva y azufaifo. El CO2 mejoraa la capacidad de almacenamiento de la fruta mediante la activación de genes relacionados con el estrés abiótico y la regulación negativa de genes relacionados con enzimas que degradan la pared celular (por ejemplo, expansina, pectinesterasa y β-xilosidasa). El silicato de sodio también suprime eficazmente el crecimiento de patógenos e induce la resistencia a enfermedades poscosecha en frutas y verduras. Por ejemplo, su aplicación preventiva en frutos de melón activa la respuesta de defensa frente a Trichothecium roseum. Los estudios proteómicos de las mitocondrias de la fruta mostraron alteración significa en un total de 24 proteínas, unión de iones metálicos, actividad del transportador de iones de hidrógeno transmembrana, actividad de ATPasa y actividad de oxidorreductasa implicadas en el metabolismo energético, defensa y respuesta al estrés, procesos de oxidación-reducción, ciclos de ácidos glucolíticos y tricarboxílicos y metabolismo de aminoácidos, formando una red de interacción dinámica durante la inducción de resistencia, lo que indica que las mitocondrias juegan un papel esencial durante la preparación de la resistencia contra la enfermedad mediante la regulación del metabolismo energético y la producción de ROS en los frutos tratados.  

Fuentes

Torres, E. A.C.; Aguirre, A. S.; Oñate. M. A. H.; García, U. M. L.; Arreguín, J. V.; González, E. M.; Basurto, R. I. O.; López, A. C. (2023). Molecular Aspects Revealed by Omics Technologies Related to the Defense System Activation in Fruits in Response to Elicitors: A Review. Horticulturae, 9(5):558. https://doi.org/10.3390/horticulturae9050558 Wiesel , L.;   Newton , A. C.;   Elliott , I.;  Booty , D.;  Gilroy , E. M.;  Birch , P. R. J.;  Hein, I. (2014). Molecular effects of resistance elicitors from biological origin and their potential for crop protection. Front Plant Sci, 5:655. https://doi.org/10.3389/fpls.2014.00655 Burketova , L.;  Trda , L.;   Ott , P. G.;  Valentova, O. (2015). Bio-based resistance inducers for sustainable plant protection against pathogens. Biotechnol Adv, 33(6 Pt 2):994-1004. DOI: 10.1016/j.biotechadv.2015.01.004 Peñaflor , M. F. G. V.; Bento, J. M. S. (2013). Herbivore-induced plant volatiles to enhance biological control in agriculture. Neotrop Entomol, 42(4):331-43. DOI: 10.1007/s13744-013-0147-z