Respuesta de Hipersensibilidad, una Muerte Celular Programada para Defenderse del Ataque por Fitopatógenos

Hypersensitive Reaction, a Programmed Cell Death to Defend from Attack by Plant Pathogens

Diana Sanzón Gómez y Emma Zavaleta Mejía

Instituto de Fitosanidad, Colegio de Postgraduados, Km. 36.5 Carr. México-Texcoco, Montecillo, Edo. de México, CP 56230, México. Correspondencia: zavaleta@colpos.mx

Recibido: Junio 21, 2010
Aceptado: Junio 14, 2011

Resumen

La muerte celular programada (MCP) o "suicidio" celular, ocurre en los seres vivos como un proceso normal que tiene lugar de una manera perfectamente organizada y regulada, que es fundamental para su desarrollo y supervivencia, y que también se dispara en respuestas a estrés por factores bióticos o abióticos en animales, plantas y en organismos unicelulares. La MCP es un fallecimiento genéticamente controlado, que requiere de una participación activa del organismo e involucra una secuencia de eventos metabólicos celulares que conducen a la destrucción de la célula. Actualmente con base en las características morfológicas que presentan las células que fallecen y en el tipo de organelo celular involucrado se han definido tres categorías de MCP: apoptosis, muerte lisosomal o autofagia, y muerte no lisosomal. La reacción de hipersensibilidad (RH) es considerada como la máxima expresión de resistencia de las plantas al ataque por patógenos y se define como una muerte rápida de las células vegetales asociada con la restricción del crecimiento del patógeno, que generalmente se reconoce por la presencia de una o varias células muertas con coloración café en el sitio de infección. El fallecimiento de células que ocurre durante la RH se considera una MCP de tipo lisosomal o autofagia.

Palabras clave: Mecanismos de defensa en plantas, interacciones planta-patógeno compatibles e incompatibles, necrosis, resistencia en plantas.

Abstract

Programmed cell death (PCD) or "cellular suicide" occurs in all organisms as a normal process that takes place in an organized and perfectly regulated way, which is essential for the development and survival of the organisms and it is also expressed in response to biotic or abiotic stresses in animals, plants and unicellular organisms. The PCD is a genetically controlled cell death which requires an active participation of the organism and involves a sequence of cellular metabolic events that lead to the destruction of the cell. Currently, based upon the morphological characteristics that the dying cells display and in the kind of cellular organelle involved, three categories of PCD death have been defined: apoptosis, lysosomal death or autophagy ('self-eating'), and non-lysosomal death. The hypersensitive reaction (HR) is considered the maximum expression of plant resistance to pathogen attack and is defined as a fast death of the plant cells associated with the restriction of the pathogen growth, which usually is recognized by the presence of one or several brown-colored dead cells at the infection site. The death of cells that happens during the HR is considered a lysosomal type PCD or autophagy.

La reacción de hipersensibilidad (RH) se considera como la máxima expresión de resistencia de las plantas al ataque por patógenos. Durante la RH las células que rodean el sitio donde penetró el patógeno se suicidan con la intención de detener su avance y la infección. Así la RH forma parte de los mecanismos de defensa de la planta (Greenberg, 1997; Mur et al., 2008). El fallecimiento de células que ocurre durante la RH se considera una muerte celular programada (MCP). Normalmente muchas de las células de los organismos eucariontes mueren y son removidas de manera programada a través de una serie de cambios bioquímicos y morfológicos sofisticados. La MCP es fundamental en procesos relacionados tanto con el crecimiento y desarrollo normal del organismo, como con la respuesta a estreses por factores bióticos y abióticos; se presenta en animales, plantas y en organismos unicelulares (Guimaräes y Linden, 2004; Williams y Dickman, 2008; Zandbergen et al., 2010). La MCP es un fallecimiento genéticamente controlado, que requiere de una participación activa del organismo (Greenberg, 1997; Williams y Dickman, 2008) e involucra una secuencia de eventos metabólicos que conducen a la destrucción de la célula (Guimaräes y Linden, 2004; Williams y Dickman, 2008). Se sugiere que a través de la evolución se han conservado en animales y plantas al menos parte, tanto de las rutas de la muerte celular, como de las características morfológicas (Ameisen, 2002; Jiménez et al., 2009; Reape y McCabe, 2010; Kaczanowski et al., 2011).

Aunque la mayoría de los trabajos de investigación sobre los mecanismos de la MCP, se han llevado a cabo en animales y relativamente poco se ha investigado en plantas, por ahora se ha documentado que la muerte celular en plantas presenta similitudes con la muerte celular en animales. Con anterioridad, Camarena (2006) publicó en México una revisión sobre muerte celular programada como una respuesta al estrés ambiental, pero no aborda de manera amplia este tipo de MCP en la interacción planta-patógeno.

La presente revisión complementa la realizada por Camarena (2006), al enfatizar aquella que involucra la muerte celular hipersensitiva en la interacción planta-patógeno, particularmente con hongos, oomicetos y bacterias. Además, se menciona y se resalta la información de los últimos años sobre los cambios morfológicos y ultraestructurales que sufren las células en este tipo de muerte celular, tema poco abordado en otros documentos que enfatizan los cambios bioquímicos.

Muerte celular programada en plantas. Las células de los organismos pueden fallecer por suicidio o por asesinato (Figura 1). La MCP es una autodestrucción ("suicidio") celular que se presenta como un proceso normal en los seres vivos, que tiene lugar de una manera perfectamente organizada y regulada, que es fundamental para su desarrollo y supervivencia, y que también se dispara en respuestas a estrés por factores bióticos o abióticos (Lakimova et al., 2005; Williams y Dickman, 2008; Zandbergen et al., 2010). En contraste con la MCP, la necrosis en un sentido figurado es un "asesinato" en el que la muerte celular resulta de la exposición a compuestos tóxicos, estrés severo por frío o calor, o daño severo que causa un deterioro inmediato e irreversible a la membrana u organelos celulares (Reape et al., 2008; Williams y Dickman, 2008).

En plantas, el suicidio celular o MCP, se presenta en varias etapas de su desarrollo como un proceso normal de diferenciación de tejidos y órganos, y de adaptación a condiciones ambientales; las evidencias obtenidas en varios sistemas modelo, tanto in vitro como in vivo, soportan la hipótesis de que una variedad de MCPs pueden ser disparadas en circunstancias distintas (Guimaräes y Linden, 2004; Wang et al., 2010; Nakaba et al., 2011; Wang y Zhang, 2011) y por consiguiente existen diferencias en los cambios morfológicos que sufren las células que mueren. Algunos ejemplos de MCP que comúnmente se presentan en plantas se pueden mencionar: 1) la degeneración de células específicas que ocurre durante el crecimiento del embrión y germinación (las células suspensoras del embrión y las del escutelum y endospermo mueren), la muerte de los cotiledones, pétalos, carpelos y otras partes florales y de células parenquimatosas en la formación del aerénquima; 2) la diferenciación de flores masculinas y femeninas, usualmente las flores son originalmente bisexuales y el desarrollo de flores masculinas involucra la MCP del estigma, estilo y ovario; y la formación de la flor femenina resulta de la muerte de los estámenes desarrollados; 3) la prevención de autofecundación por MCP de las células del estigma y/o del tubo de polen; y 4) la formación de xilema por muerte de elementos de los vasos y de las células que se constituyen en traqueidas, fibras y esclereidas.

La información que se ha generado en estudios concerniente a la MCP en metazoarios, ha proporcionado las bases para agrupar en tres categorías a los diferentes tipos de MCP, considerando tanto las características morfológicas que presentan las células que fallecen, como el tipo de organelo celular involucrado en el fallecimiento: 1) apoptosis; 2) muerte lisosomal (autofagia) y 3) muerte no lisosomal (Schweichel y Merkel, 1973; Baehrecke, 2003; Williams y Dickman, 2008). En la apoptosis, la célula destinada a fallecer es devorada por una viva (es una especie de "canibalismo") que la degrada en su lisosoma (organelo celular en el que almacenan enzimas hidrolíticas que llevan a cabo la digestión intracelular o extracelular de macromoléculas); en la autofagia o muerte celular lisosomal la célula que muere se autodestruye utilizando su propio sistema lisosomal; y en la muerte no lisosomal no está involucrada la degradación lisosomal y es un tipo de MCP menos frecuente (van Doorn y Woltering, 2005). En varias investigaciones indican que la mayoría de los ejemplos documentados de MCP durante el desarrollo de la planta se ubican en la categoría de muerte autofágica, no teniendo a la fecha ejemplos de muerte del tipo apoptótico y algunos casos no corresponden ni a apoptosis ni a autofagia (van Doorn y Woltering, 2005; 2008; Woltering et al., 2010; Yoshimoto, 2010).

Respuesta de hipersensibilidad (RH). La RH se define como una muerte rápida de células vegetales asociada con la restricción del crecimiento de patógenos (Mur et al., 2008; Vidhyasekaran, 2008) y generalmente se reconoce por la presencia de una o varias células muertas con coloración café en el sitio de infección. La lesión café puede visualizarse a nivel macroscópico cuando involucra a un número suficiente de células; no obstante, en algunos casos la necrosis solamente es visible al microscópico cuando son pocas las células involucradas en la RH. Se ha consignado que las plantas en las que se dispara la RH, muestran cierto grado de resistencia a patógenos en tejidos distantes al sitio donde ocurrió la reacción; este tipo de protección se le conoce como resistencia sistémica adquirida (RSA) y el ácido salicílico (AS) es, al parecer esencial para su inducción (Vlot et al., 2008; Hammerschmidt, 2009).

Inicialmente se consideró que la RH era una respuesta característica de plantas resistentes y que se disparaba solamente en aquellas situaciones en la que existía una relación gen a gen. Por otro lado, se asumía que el producto del gen de avirulencia (avr), que actúa como elicitor específico de raza, interaccionaba con el producto del gen de resistencia (R) correspondiente; esto es, que únicamente se presentaba en interacciones de tipo incompatible. Sin embargo, en la actualidad se sabe que la RH se expresa tanto en plantas hospedantes como en no hospedantes y es controversial si el control genético es el mismo en ambos casos (Heath, 2000; Lenk y Thordal-Christensen, 2009; Lipka et al., 2010). Estudios con mutantes de maíz (Zea mays), tomate (Solanum lycopersicum) y Arabidopsis thaliana (L.) Heynh, han revelado que la RH también depende de genes adicionales que parecen estar presentes tanto en individuos resistentes como susceptibles, y que le confieren a la planta la habilidad de responder hipersensitivamente aún en situaciones donde no existe la relación R-avr (Heath, 2000; Lipka et al., 2010). Asimismo, a la fecha se han aislado pocos elicitores específicos y también algunos hongos oomicetos producen una variedad de metabolitos, que forman parte de sus componentes o secreciones (carbohidratos de la pared celular, proteínas y glicoproteínas), conocidos como elicitores no específicos, que pueden inducir las respuestas de defensa de las plantas, y en algunos casos la muerte celular (Heath, 2000, Mishra et al., 2009). Bacterias fitopatógenas como Pseudomonas syringae, Erwinia amylovora y Ralstonia solanacearum, entre otras, poseen elicitores proteínicos que disparan la RH (Grant y Mansfield, 1999; El-Maarouf et al., 2001; Gimenez-Ibanez y Rathjen, 2010). Los oomicetos Phytophthora cryptogea y P. capsici producen las proteínas criptogeina y capsiceina, respectivamente, que actúan como elicitores (Nespoulous et al., 1999; Sawai et al., 2010).

En la actualidad las evidencias que se tienen de que la RH resulta de procesos de MCP son: la activación del fallecimiento celular en ausencia de patógenos por mutación de ciertos genes que se considera están involucrados en la ruta de muerte; la activación de la muerte cuando elicitores producidos por el patógeno son reconocidos; y la activación de la RH por transgenes en plantas (Mittler y Rizhsky, 2000; Rostoks et al., 2003; Lenk y Thordal-Christensen, 2009; Mishra et al., 2009; Sawai et al., 2010). El hecho de que una muerte similar a la RH pueda activarse en la ausencia del patógeno, sugiere que este tipo de fallecimiento celular no es directamente causado por el patógeno invasor sino que resulta de la activación de una ruta específica determinada de MCP en el hospedante (Lakimova et al., 2005). En varias investigaciones se indica que la existencia de mutantes que espontáneamente activan la RH en ausencia de un patógeno, constituye la evidencia más contundente de que la RH es un proceso de MCP. Estos mutantes conocidos como "mutantes que imitan lesiones de enfermedad" ("disease lesion mimics") y las mutaciones que causan la aparición de lesiones de RH en la ausencia de patógenos probablemente ocurren en genes que controlan la MCP; por lo anterior, tales mutantes constituyen una herramienta poderosa para el estudio de la RH en plantas (Rostoks et al., 2003; Lakimova et al., 2005; Love et al., 2008; Lenk y Thordal-Christensen, 2009).

Cambios morfológicos y estructurales que ocurren en la RH. Los cambios morfológicos y estructurales que acompañan a la MCP durante las interacciones planta-microorganismo han sido investigados en pocas interacciones planta-patógeno. En aquellos modelos que se han estudiado, el detenimiento de la corriente citoplasmática seguido por el desmantelamiento del protoplasto y la fragmentación del ácido desoxirribonucleico (ADN) nuclear son eventos tempranos que se presentan consistentemente durante la RH.

En células de soya (Glycine max) en suspensión e inoculadas con una cepa avirulenta de P. syringae pv. glycinea se observó una MCP; acompañada de fragmentación del ADN, globulación de la membrana plasmática, condensación del núcleo y citoplasma, y contracción de la célula (Levine et al., 1996). Cuando la bacteria se inoculó se hizo en hojas completas, estos mismos autores observaron que la estructura interna del cloroplasto se perdió y se acumularon granos de almidón en el estroma, y las células del mesófilo mostraron contracción y fragmentación del protoplasto. Tales cambios no fueron observados en la interacción compatible con la cepa virulenta, la cual no provocó una RH. Células de tabaco (Nicotiana tabacum), no hospedante del oomiceto P. cryptogea, tratadas con criptogeina también sufrieron cambios morfológicos similares a los observado en células de soya con la cepa avirulenta de P. syringae pv. glycinea. En un cultivar de calabacita (Cucurbita maxima) resistente a P. capsici las células del parénquima del tallo infectado sufrieron plasmolisis de su membrana plasmática, y el material citoplásmico y el núcleo se agregaron en el sitio de contacto de la hifa del oomiceto. Por otro lado, en el cultivar susceptible la membrana plasmática de las células infectadas fue desorganizada, las células se plasmolizaron y sus cloroplastos se deformaron y mostraron desorganización en su sistema de membranas (Lee et al., 2001). Cambios morfológicos y estructurales similares han sido reportados también en frutos respondiendo hipersensitivamente; así frutos de chile (Capsicum baccatum) resistentes a Colletotrichum gloeosporioides (Glomerella cingulata), mostraron varias características citológica típicas de la MCP como separación de la membrana plasmática de la pared celular, condensación del citoplasma, dilatación del retículo endoplasmico, presencia de numerosas vacuolas pequeñas, núcleo heterocromático y menos osmofilico, y fragmentación del ADN. En contraste, en frutos susceptibles (C. annuum) se observó degradación de la pared celular, fragmentación de vacuolas, degradación del núcleo y citoplasma, y condensación del citoplasma (Kim et al., 2004). Algunos investigadores han propuesto que en interacciones compatibles, la muerte de células hospedantes podría también finalmente constituir una MCP e involucrar mecanismos similares. Sin embargo, es conveniente comentar que los cambios estructurales que los investigadores observaron en las interacciones compatibles calabacita-P. capsici y C. annuum-C. gloeosporioides, tales como la desorganización de las membrana plasmática, plasmolización del citoplasma, deformación de los cloroplastos y desorganización de su sistema de membranas en el primer caso, y la degradación de paredes celulares en los frutos susceptibles en el segundo; son situaciones que claramente evidencian que los mecanismos que condujeron al fallecimiento de las células fueron totalmente diferentes de aquellos que ocurrieron en la RH, y que las células hospedantes fueron asesinadas por el patógeno por la producción de toxinas y/o enzimas que degradan paredes celulares y compuestos estructurales de las membranas celulares y cuyos efectos nocivos directos sobre componentes estructurales o rutas metabólicas de las células hospedantes ha sido ampliamente documentados (Hückelhoven, 2007; Eichmann y Hückelhoven, 2008; Ribot et al., 2008).

La fragmentación del ADN en oligonucleótidos de diferentes tamaños, se ha observado durante la RH en varias interacciones planta-patógeno; por ejemplo, en células de hojas de tabaco con el gen N (que confiere resistencia al virus mosaico del tabaco=VMT) e infectadas con VMT se observaron fragmentos de ADN de aproximadamente 50,000 pares de bases (pb); asimismo, Levine et al. (1996) observaron que en la MCP que se presentó en una interacción incompatible soya-P. syringae pv. glycinea el ADN se rompió en fragmentos de tamaño similar. Por otro lado, la RH en hojas de frijol caupí (Vigna unguiculata) inoculadas con Uromyces vignae (Ryerson y Heath, 1996; Heath et al., 1997), y en las interacciones avena (Avena sativa)-Puccinia coronata y A. thaliana-P. syringae, la división del ADN nuclear generó fragmentos pequeños consistentes en múltiplos de 180 pb (Greenberg y Yao, 2004).

Las caspasas son las moléculas ejecutoras de la MCP en animales (Khurana et al., 2005, Fernando y Megeney, 2007; Chowdhury et al., 2008; Woltering, 2010). Estas proteinasas poseen un sitio activo a base de cisteína y separan a los residuos de ácido aspártico rompiendo el enlace que lo mantiene unido al substrato polipeptídico (Hengartner, 2000; Sanmartín et al., 2005; Woltering, 2010). Los resultados de estudios moleculares y bioquímicos, apoyan la hipótesis de que enzimas similares a las caspasas están involucradas en la RH de las plantas (Coll et al., 2010), pues la RH fue suprimida cuando se aplicaron péptidos sintéticos inhibidores de las caspasas (del Pozo y Lam, 2003) y aunque a la fecha no se han identificado enzimas caspasas en plantas, existe información que sugiere la existencia de proteasas que poseen un sitio activo a base de cisteína. Lo anterior sustenta la idea de que en plantas existen proteasas con actividad de caspasas, que participan en la MCP. Asimismo, se ha sugerido que proteínas pequeñas de la familia Ras, pertenecientes a la superfamilia G (proteínas pequeñas que se unen a GTP= trifosfato de guanosina) y que funcionan también como moléculas ejecutoras de MCP en animales, podrían igualmente estar involucradas en la MCP en plantas. Las proteínas Ras son importantes en el ciclo celular de las plantas, al unirse a GTP y a proteasas sensitivas a cisteína (Lakimova et al., 2005; Sørmo et al., 2006).

Cascada de eventos bioquímicos que ocurren en la RH. una vez que ocurre la interacción de la molécula efectora (E, producida por el patógeno) con la molécula receptora (R) en la superficie o interior de la célula vegetal, se desata una cascada de eventos que incluyen la activación de múltiples rutas de transducción de señales hacia el interior de la célula invadida y que involucran la explosión oxidativa a través de la cual se producen especies reactivas de oxígeno (H₂O₂, peróxido de hidrógeno; O₂^-, anión superóxido; y OH^-, radical hidroxilo); flujo de iones como H⁺, K⁺ y Ca²⁺; la actividad de cinasas y fosfatasas que transmiten y amplifican la señal, cuyo blanco último generalmente son los factores de transcripción que regulan la expresión de genes. Los genes expresados son aquellos que codifican para peroxidasas y enzimas clave de las rutas del metabolismo secundario (como PAL=fenilalanina amonio liasa y HMG-CoAr=3-hidroxi-3-metilglutaril coenzima A reductasa), a través de las cuales se sintetizan compuestos con propiedades antimicrobianas (fenoles y fitoalexinas, por ejemplo); proteínas relacionadas con patogénesis (como β-glucanasas y quitinasas); compuestos (fenoles y lignina) y proteínas que refuerzan y protegen a las paredes celulares contra la actividad de enzimas que degradan paredes celulares, o que interfieren con la actividad de éstas últimas, como las proteínas inhibidoras de poligalacturonasas y glicoproteínas ricas en hidroxiprolina (Soylu, 2006; Cvikrová et al., 2006; Menden et al., 2007; Godinez-Vidal et al., 2008; Sels et al., 2008; Schacht et al., 2011). Entre las señales que se generan y que "alertan", tanto a nivel local en las células vecinas, como de manera sistémica son el etileno y los ácidos salicílico y jasmónico (Figura 2). Todas estas respuestas de defensa en realidad se presentan tanto en interacciones compatibles como en incompatibles y la diferencia radica en la rapidez y la magnitud con la que se expresan en cada interacción.

CONCLUSIONES

El énfasis en las investigaciones de la RH, se ha puesto en los cambios bioquímicos y moleculares que ocurren en las células involucradas. Los cambios morfológicos y ultraestructurales que se presentan en las células hipersensitivas, se han estudiado en relativamente pocos modelos planta-patógeno, pues se limitan a describir la colonización y características morfológicas del patógeno, y pocas veces se incluyen los cambios ultraestructurales que sufren los organelos de las células hospedantes; no obstante, por las características estructurales y morfológicas que muestran las células suicidas, en los pocos modelos en los que se han estudiado, se considera que la RH es una MCP del tipo lisosomal o autofágica. Por otro lado, a la fecha no se ha demostrado la existencia de proteínas caspasas en plantas, mismas que en animales se han señalado como las moléculas ejecutoras de la MCP. Los estudios moleculares y bioquímicos por ahora disponibles en plantas, apoyan la hipótesis de que enzimas con similitud funcional a las caspasas, están involucradas en la ejecución de las células hipersensitivas, de ahí que es de fundamental importancia identificar las enzimas involucradas en la MCP en plantas y determinar su semejanza con las caspasas de animales.

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