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En un reciente artículo publicado en la revista Philosophical Transactions of the Royal Society B, integrantes de un grupo de investigación del Departamento de Biología Molecular del IIBCE analizan la historia evolutiva de los mecanismos bioquímicos que permiten a las plantas hacer frente a los microorganismos patógenos. 

Para una planta, defenderse significa producir sustancias como los flavonoides -compuestos orgánicos con propiedades antimicrobianas y antioxidantes- por ejemplo, los taninos y la quercetina. También pueden producir alcaloides como la cafeína, sustancia tóxica para insectos y patógenos, que puede actuar indirectamente como un activador de la defensa vegetal.

Otras estrategias implican producir terpenos, responsables del color rojo de algunas frutas y de los aromas del eucaliptus, el jengibre y el clavo. Además de participar en la defensa, los terpenos atraen organismos benéficos como insectos polinizadores y hongos del suelo que forman micorrizas en las raíces de las plantas.

En el artículo se comparte el resultado de una larga investigación sobre los genomas de distintas especies de plantas terrestres y sus parientes las algas, buscando identificar los genes involucrados en la biosíntesis de algunos de estos compuestos que desde hace millones de años protegen a los vegetales de los patógenos que los acechan.

Hace 500 millones de años, las plantas -seres vivos capaces de extraer energía de la luz mediante la fotosíntesis- sólo vivían en los ambientes acuáticos de nuestro planeta. En ese momento algunas especies de algas verdes de agua dulce comenzaron a colonizar la tierra firme. Estas pioneras desarrollaron estrategias para sobrevivir en la dura superficie terrestre. Adaptaron sus estructuras, desarrollaron mecanismos para retener agua y aprendieron a absorber nutrientes del suelo.

Con el tiempo, estas adaptaciones dieron lugar a plantas más complejas, como los musgos y helechos. Las plantas vasculares, capaces de transportar agua a través de sus tejidos, abrieron el camino para la conquista de las alturas, dando origen a los árboles y bosques que hoy dominan los paisajes terrestres.

La colonización de la tierra firme fue un proceso gradual que requirió millones de años de evolución y adaptación. Hoy podemos conocer estos sucesivos pasos evolutivos por el rastro que fueron dejando en los genes de las plantas actuales. Podemos tener una visión más completa de esta historia gracias a nuevas herramientas como la secuenciación genética, es decir, la determinación del ADN de una planta; la transcriptómica o estudio del ARN (molécula que transcribe la información genética del ADN a la síntesis de proteínas) y el estudio fitoquímico de las líneas evolutivas de las plantas y sus parientes las algas.

Las primeras plantas terrestres enfrentaron desafíos propios de su nuevo ambiente: la deshidratación, los rayos UV-B, las temperaturas extremas, el estrés oxidativo y los microorganismos patógenos. Para defenderse, las plantas comenzaron a sintetizar metabolitos especializados. Estas sustancias abrieron el camino a innovaciones como la lignina, que funciona como soporte estructural de las plantas, o la cutícula cerosa, que las protege contra las agresiones del ambiente y de otros seres vivos.

La exitosa adaptación de las plantas al ambiente terrestre se debe a un amplio abanico de metabolitos. En efecto, se conocen más de 10.000 flavonoides diferentes, 12.000 alcaloides y 30.000 terpenoides. Esta diversidad química les permitió expandirse hasta lugares extremos como la Antártida o los desiertos. 

El equipo del Departamento de Biología Molecular del IIBCE estudió los genomas de distintas especies de plantas terrestres y de sus parientes las algas acuáticas, buscando identificar los genes involucrados en la biosíntesis de metabolitos, especialmente de los que ayudan a las plantas a defenderse de los patógenos. Dentro de las plantas terrestres se incluyeron briófitas (plantas no vasculares, sin semillas), las licofitas y helechos (plantas vasculares, sin semillas), las gimnospermas (plantas vasculares, con semillas, sin flores) y las angiospermas (plantas vasculares, con semillas, con flores).

En su investigación, las autoras (y autor) del artículo detectaron que algunos mecanismos bioquímicos de síntesis de metabolitos secundarios ya estaban presentes en las algas acuáticas, mientras que otros evolucionaron durante la transición agua-tierra de los vegetales. Uno de los caminos metabólicos conservados en la historia evolutiva de las plantas es la síntesis de los fenilpropanoides, origen de miles de compuestos con distintos roles defensivos. Esta vía biosintética ha sido muy estudiada en las angiospermas pero -como se señala en el artículo- no hay información comparable sobre los musgos y hepáticas (briofitas). En este trabajo se demuestra que la mayoría de los genes de síntesis de fenilpropanoides, flavonoides y cutícula están presentes en las briofitas y probablemente se originaron en el ancestro más cercano de las plantas terrestres. 

La presencia de hongos y evidencias de fortalecimiento de la pared de las células vegetales en fósiles de 400 millones de años sugieren la participación de estos metabolitos en la defensa frente a patógenos.

La historia de la interacción entre plantas y microorganismos es compleja y dinámica; muestra el surgimiento, la expansión y a veces la desaparición de metabolitos en cada una de las distintas líneas evolutivas de los vegetales. Comprender los mecanismos de defensa de las plantas y cómo evolucionaron, incluyendo un estudio más profundo de metabolitos específicos de algunas plantas, abre a la ciencia la posibilidad de descubrir actividades novedosas importantes para la defensa y crear cultivos más resistentes a los patógenos.

Enlace al artículo original: https://rs.figshare.com/collections/Supplementary_material_from_The_evolution_of_plant_responses_underlying_specialised_metabolism_in_host-pathogen_interactions_/7440863

Fuente: www.gub.uy/ministerio-educacion-cultura