Nuevos receptores de inmunidad vegetal que perciben celulosa
Investigadores del CBGP (UPM-INIA/CSIC) han identificado una nueva familia de receptores de plantas que perciben oligosacáridos derivados de celulosa y activan la inmunidad frente a patógenos.
06.03.23
En un artículo publicado recientemente en la revista The Plant Journal, un grupo de investigadores del Centro de Biotecnología y Genómica de Plantas, CBGP (UPM-INIA/CSIC), en colaboración con la Universidad de Lausanne, presentan el descubrimiento de un nuevo sistema de reconocimiento de oligosacáridos y de activación de la respuesta inmune en plantas. Este nuevo mecanismo permite a las plantas saber cuándo están siendo infectadas por patógenos dado que estos deben degradar la pared celular (incluida la celulosa) y de esta manera los oligosacáridos liberados sirven de alerta para que las plantas se defiendan. El descubrimiento de esta nueva familia de receptores de carbohidratos puede contribuir a una agricultura más sostenible, ya que abre la posibilidad al desarrollo de nuevos productos biológicos que podrían reemplazar a los actuales productos fitosanitarios de síntesis química.
Modelo tridimensional de la estructura del receptor IGP1/CORK1 con su dominio extracelular (LRR-MAL, en azul y amarillo respectivamente), el dominio transmembrana (purpura) y el dominio quinasa (verde). Se representa la estructura de la cellotriosa (CEL3) que une IGP1/CORK1. El reconocimiento de la CEL3 por el receptor activa la inmunidad vegetal (PTI) y la resistencia a patógenos. PM. Membrana Plasmática. Autores: Imagen tridimensional generada por María Garrido y Luis Fernández-Pacios (CBGP (UPM-INIA/CSIC)).
El sistema inmune de plantas percibe una gran variedad de carbohidratos (azúcares) derivados de las paredes celulares de la planta y de microorganismos mediante dominios extracelulares de receptores de reconocimiento de patrones, que activan la inmunidad dependiente de reconocimiento de patrones (PTI). Se han descrito diversos oligosacáridos, como los derivados de glucanos mixtos y celulosa ꟷdos de los principales polisacáridos de las paredes celulares de las plantasꟷ, que son capaces de inducir PTI y activar la resistencia frente a patógenos en diferentes especies vegetales. Sin embargo, nuestro conocimiento de la percepción de estos oligosacáridos por el sistema de inmunidad de las plantas y los mecanismos de señalización molecular implicados es escaso. El único mecanismo de percepción de oligosacáridos por las plantas bien caracterizado es el de oligosacáridos de quitina, que es un polisacárido de las paredes celulares de los hongos, y que se realiza por receptores de plantas con dominios extracelulares de tipo LysM.
El conocimiento de cómo las plantas perciben oligosacáridos y activan la inmunidad ha experimentado un impulso notable gracias a los recientes descubrimientos de investigadores del CBGP (UPM-INIA/CSIC), un centro de investigación de excelencia Severo Ochoa (www.somma.es). El grupo de investigación liderado por Antonio Molina ꟷen colaboración con el grupo de Julia Santiago de la Universidad de Lausanne en Suizaꟷ ha aislado y caracterizado un grupo de mutantes de Arabidopsis thaliana a los que han denominado igps (por sus siglas en inglés de "impaired in glycan perception", “incapaces de percibir glicanos”) que son defectivos en la activación de PTI por los oligosacáridos MLG43 y CEL3, pero no por oligosacáridos derivados de la quitina (CHI6). Estos resultados sugerían que el mecanismo de percepción de MLG43 y CEL3 era nuevo y distinto del de percepción de oligosacáridos de quitina (CHI6). La identificación de las mutaciones de las plantas igp1-igp4 permitieron corroborar esta hipótesis dado que los investigadores demostraron que estas plantas están alteradas en tres receptores de tipo quinasa (RK) de una nueva familia de proteínas con dominios extracelulares LRR-MAL que no se han implicado previamente en inmunidad vegetal (ver Figura).
Los datos obtenidos en el estudio sugieren que las proteínas LRR-MAL-RKs identificadas forman parte de un nuevo sistema de reconocimiento de oligosacáridos y de activación de la respuesta inmune en plantas distinto del de las proteínas LysM-PRR (receptores de quitina). Este mecanismo de inmunidad ahora caracterizado se activa cuando un patógeno trata de colonizar una planta y al secretar enzimas para degradar los polímeros de la pared celular (por ejemplo, celulasas u otras hidrolasas) se liberan oligosacáridos de estos polímeros (celulosa y MLG) que actúan como moléculas señalizadoras de alerta del daño en la pared celular que son reconocidas por los receptores IGP identificados, que activan la inmunidad vegetal.
En opinión del investigador Antonio Molina: “El descubrimiento de esta nueva familia de receptores de carbohidratos, que es el segundo descrito en plantas, abre la posibilidad de desarrollar productos biológicos basados en oligosacáridos de celulosa que estimulen la inmunidad vegetal y la protección frente a patógenos. Estos nuevos productos basados en azúcares de origen natural pueden reemplazar a los productos fitosanitarios de síntesis química y así contribuir a una agricultura mas sostenible”. “Además,” añade, “esta tecnología contribuirá a una económica circular porque la celulosa y glucanos mixtos presentes en desechos vegetales podrían utilizarse para desarrollar estos nuevos productos; es decir, podríamos proteger los cultivos con desechos o restos de biomasa de los propios cultivos”.
Esta novedosa tecnología se encuentra actualmente en desarrollo por el grupo del CBGP (UPM-INIA/CSIC) en el marco de un acuerdo de licencia de explotación de una patente con una empresa internacional.
Martín-Dacal, M., Fernández-Calvo, P., Jiménez-Sandoval, P., López, G., Garrido-Arandía, M., Rebaque, D., del Hierro, I., Berlanga, D.J., Torres, M.Á., Kumar, V., Mélida, H., Pacios, L.F., Santiago, J., Molina, A. Arabidopsis immune responses triggered by cellulose- and mixed-linked glucan-derived oligosaccharides require a group of leucine-rich repeat malectin receptor kinases The Plant Journal 114, Issue 4 (833-850) Feb2023.