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(SLT-FAUBA) Un grupo de investigadores de la Facultad de Agronomía de la UBA (FAUBA), en colaboración con científicos de Holanda, logró descifrar aspectos desconocidos hasta ahora de un mecanismo de defensa que las plantas utilizan frente al ataque de insectos, basado en la emisión de compuestos volátiles. Estos “aromas” servirían para atraer a especies benéficas, mientras las plantas concentran su energía en otras funciones.
“Por primera vez, logramos conectar aspectos de la señalización lumínica, clave para las interacciones entre plantas, con la señalización química, fundamental para los mecanismos de comunicación entre plantas e insectos”, explicó Carlos Ballaré, investigador del Conicet, profesor de la cátedra de Fisiología Vegetal de la FAUBA y director del laboratorio de Fotobiología Ambiental (http://epl.agro.uba.ar).
“Cuando las plantas perciben señales de sombra cambian el perfil de compuestos volátiles que emiten, y esas modificaciones pueden ser detectadas por insectos benéficos que protegen a la planta del ataque de insectos herbívoros”, resumió al referirse al trabajo publicado en la edición de diciembre de 2016 de la revista New Phytologist (http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.14210/full).
Los compuestos emitidos por las plantas son recolectados y analizados para determinar el blend que la caracteriza.
El estudio permitió comprender cómo las plantas regulan la emisión de esos compuestos en función de señales de competencia. Cuando “ven” a los vecinos (competidores), las plantas reducen la inversión en compuestos de defensa (presumiblemente para ahorrar recursos). Pero, al mismo tiempo, cambian el bouquet de compuestos volátiles que emiten a la atmósfera del canopeo, tornándose más atractivas para predadores de insectos herbívoros. En otras palabras, frente a una amenaza de competencia, las plantas gastan menos en defensas, pero atraen a los enemigos de sus enemigos.
El estudio de la FAUBA no sólo se concentró en aspectos básicos, sino que también podría servir para generar aplicaciones concretas en la agricultura.
Carnívoros al rescate
Una oruga durante un ensayo de herbivoría en plantas de tomate. El desempeño del herbívoro esta fuertemente relacionado con la palatabilidad de la planta y su sistema de defensas físicas y químicas.
Las plantas pueden recibir señales de competencia través de sus fotorreceptores y tomar una serie de decisiones que inciden en el uso de sus recursos. Aquellas especies que son intolerantes a la sombra, por ejemplo, concentran sus recursos en crecer para evitar que sus vecinos les tapen la luz. Pero en ese proceso, sacrifican energía que generalmente utilizan en su sistema de defensa.
Ante esta depresión del sistema inmune, los científicos se preguntaron ¿cómo hacen las plantas para cubrirse contra el ataque de enfermedades e insectos, cuando crecen en poblaciones densas?
“Pensamos que cuando las plantas están en una situación de competencia y suprimen la inversión en sus defensas, al mismo tiempo podrían estar cambiando el perfil de los compuestos volátiles que emiten, para compensar y hacerse más atractivas a los depredadores de sus herbívoros”, respondió Ballaré, y recordó que empezaron a trabajar en esta línea hace unos cinco años junto con Hernán Boccalandro, quien era docente de la cátedra de Fisiología de FAUBA. Luego, los trabajos continuaron con la tesis doctoral de Leandro Cortés, quien realizó una pasantía con el grupo científico de Marcel Dicke, de la Universidad de Wageningen, Holanda, especializado en la medición de compuestos volátiles.
En los ensayos, el insecto se dirigió a los olores que venían de la planta que tenía activado el programa de competencia.
Los primeros experimentos se realizaron en el laboratorio de la FAUBA sobre plantas de la especie modelo Arabidopsis thaliana, buscando comprender la conexión entre los fotorreceptores que utiliza para detectar la presencia de vecinos, la depresión del sistema de defensa y los mecanismos de señalización hormonal. Los trabajos de Cortés -quien actualmente es investigador del Instituto de Biología Agricola de Mendoza (IBAM-Conicet)-, se concentraron en plantas de tomate, que emiten una gran cantidad de compuestos de la familia de los terpenos.
Para realizar los estudios, los investigadores aplicaron sobre las plantas una señal lumínica de competencia (que simula la presencia de poblaciones vecinas) y midieron cómo se alteraban unos 90 compuestos volátiles. “Efectivamente, vimos que si exponemos una planta a una señal de competencia, ésta cambia su perfume”, dijo Ballaré.
“Cuando las plantas perciben señales de sombra cambian el perfil de compuestos volátiles que emiten, y esas modificaciones pueden ser detectadas por insectos benéficos que protegen a la planta del ataque de insectos herbívoros”, dijo Ballaré
Luego, se analizó la respuesta de un predador de herbívoros, exponiendo una chinche (que en Europa se vende como agente de control biológico para invernáculos) a los aromas que emitían plantas expuestas a señales de competencia y otras que servían testigo. “Claramente, el insecto se dirigía a los olores que venían de la planta que tenía activado este programa de competencia, porque le habíamos dado la señal lumínica para ello”, informó.
El mecanismo sería el siguiente: “En condiciones naturales, frente a la amenaza de competencia con otras plantas, la planta suprime la expresión de compuestos de defensa para concentrar recursos en crecimiento. Nuestros estudios muestran que, al mismo tiempo, la planta modifica el perfil de compuestos volátiles que produce, cambiando ligeramente la composición de ese bouquet para emitir una señal atractiva para predadores de los herbívoros. Quizás sea una solución menos costosa para su defensa, y al mismo tiempo una ventaja para el predador, que a lo largo de la evolución habría aprendido a responder a ese tipo de volátiles para orientar su búsqueda a plantas que podrían estar más cargadas de herbívoros, que son sus presas”.
A futuro, los investigadores de la FAUBA apuntan a continuar con los experimentos en especies no cultivadas, como ancestros del tomate que no hayan sido mejorados, para evaluar si el fenómeno se repite en otros casos.
Aplicaciones concretas
Cortés hizo parte de los experimentos de sus tesis doctoral en la Universidad de Wageningen, Holanda, donde se especializan en la medición de compuestos volátiles.
Al referirse a las aplicaciones de esta investigación, Ballaré consideró: “En cultivos agrícolas, quizás nos gustaría que las plantas no repriman el sistema de defensa cuando están sembradas a una alta densidad, haciéndose más vulnerables a patógenos o insectos. A través del mejoramiento o de transgénesis, por ejemplo, podríamos desconectar la percepción de la densidad de la supresión del sistema de defensa”.
“Ahora que identificamos algunas proteínas importantes en conectar la percepción de los vecinos con la depresión del sistema de defensa, podríamos usar plantas con una versión alterada de esas proteína, que no señalizarían de la misma manera. Ya logramos, en ensayo en invernáculos, tener plantas que en respuesta a señales de competencia tienen una morfología apropiada para la alta densidad, pero no deprimen su sistema de defensa. Hacia adelante podríamos hacer los experimentos en cultivos para identificar cuáles son los genes que vemos en Arabidopsis y que están presentes en especies interesantes”, señaló.
El hallazgo también podría servir en el cultivo de plantas de uso industrial: “Manejando el ambiente lumínico, podríamos alterar el perfil de compuestos volátiles que producen las plantas, sobre todo de la familia de los terpenos, y generar aromas y esencias con posibilidades de aplicación en farmacología, por ejemplo”.
En el norte de Europa, los productores de hortalizas (que buena parte del año no tienen luz natural y utilizan la luz artificial como estrategia de cultivo) están analizando cómo cambiar el ambiente lumínico para modificar la calidad de las plantas, la composición química y el aroma.
“Están tratando de entender cómo un cambio en la composición de la luz con la cual se cultivan las plantas, tiene consecuencias importantes sobre el metabolismo secundario y la producción de compuestos de distinta índole. Eso quizás nos daría herramientas para cambiar la forma o el rendimiento de plantas, e incluso su composición química, modificando ligeramente el espectro lumínico (la calidad de luz) con LEDs de distintos colores”, concluyó Ballaré.
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