Ante la posibilidad de un ataque que comprometa su supervivencia, las plantas tienen su propio mecanismo defensivo para protegerse. Cuando un hongo o una bacteria intenta colonizarlas, ponen en marcha un sofisticado sistema de vigilancia capaz de detectar las señales que deja el ataque y activar su respuesta inmunitaria.

Ahora, un equipo internacional de investigadores ha conseguido observar por primera vez, a escala molecular, cómo funciona uno de estos mecanismos de defensa. El estudio, publicado en la prestigiosa revista Science, cuenta con la participación de investigadores del Centro de Biotecnología y Genómica de Plantas (CBGP), de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) junto a investigadores de la Universidad de Lausana (Suiza) y explica cómo las plantas reconocen pequeños fragmentos de celulosa que se liberan cuando los microorganismos dañan sus tejidos.

“Todas las células vegetales están rodeadas por una pared celular -compuesta por polisacáridos, proteínas y metabolitos secundarios- que actúa como primera barrera defensiva frente a patógenos. Para colonizar las células vegetales y causar enfermedades, bacterias y hongos deben degradar esa barrera mediante la secreción de enzimas especializadas capaces de romper los polisacáridos de la pared celular, entre ellos la celulosa, uno de sus principales componentes”, explica Antonio Molina, catedrático de la Escuela de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas de la UPM e investigador del CBGP (UPM-INIA/CSIC) y uno de los autores de este trabajo.

Sin embargo, las plantas no permanecen pasivas frente a este ataque, sino que cuentan en la superficie de sus células con proteínas receptoras capaces de reconocer determinados fragmentos liberados de la pared celular. Estas moléculas funcionan como señales de «alarma de daño» que alertan a la planta de que está siendo atacada y desencadenan la activación de su sistema inmunitario.

Un mecanismo hasta ahora desconocido

Entre estos receptores se encuentra IGP1 (Impaired in Glycan Perception), perteneciente a una familia de proteínas identificada previamente por investigadores del CBGP, formada también por IGP3 e IGP4. Estos receptores permiten a la planta percibir diferentes fragmentos de azúcares procedentes de la pared celular y desencadenar respuestas de resistencia frente a las enfermedades.

Trabajos anteriores desarrollados por el CBGP y la Universidad de Lausana habían demostrado que IGP1 es capaz de reconocer fragmentos de celulosa de entre tres y cinco unidades de azúcar, como la celotriosa (Cel3) y la celopentaosa (Cel5), que aparecen como consecuencia de la acción de las enzimas de los patógenos. Lo que todavía no se sabía era cómo conseguía hacerlo.

La nueva investigación proporciona la respuesta. Los científicos han determinado la estructura tridimensional de la parte extracelular del receptor IGP1 cuando está unido a una molécula de celotriosa y han revelado un mecanismo de reconocimiento de estos azúcares hasta ahora desconocido en plantas.

“IGP1 dispone de una especie de cavidad o bolsillo en su dominio LRR, donde encaja el fragmento de celulosa. Otro dominio del receptor, denominado MAL, contribuye a estabilizar esta estructura”, explica el investigador del CBGP-UPM. “Este hallazgo constituye el primer ejemplo estructural de cómo una planta reconoce un fragmento derivado de su propia pared celular (la celulosa) y proporciona una explicación molecular de cómo se activa la inmunidad tras la degradación de la pared celular. Además, pone de manifiesto sorprendentes similitudes con algunos mecanismos utilizados por receptores del sistema de inmunidad innata de mamíferos para reconocer carbohidratos”, añade.

Un centinela molecular frente a la infección

El estudio demuestra también que IGP1 desempeña un papel fundamental en la resistencia de las plantas frente a distintos tipos de patógenos que son capaces de degradar la celulosa durante la infección.

“Los fragmentos liberados actúan como señales de daño que son detectadas por IGP1, que actúa como un auténtico centinela molecular de la integridad de la pared celular, que amplifica la respuesta mediada por otros receptores inmunitarios vegetales bien conocidos”, explica Molina.

Además, el trabajo publicado en Science, ayuda a explicar una estrategia utilizada por algunos patógenos para dificultar su detección. Determinadas formas oxidadas de estos fragmentos de celulosa, como Cel3ox, no provocan la misma respuesta inmunitaria. Estas moléculas pueden generarse por la actividad de enzimas oxidativas de los propios patógenos, reduciendo así la cantidad de señales que la planta es capaz de reconocer.

“Curiosamente, las plantas también pueden generar estas formas oxidadas para modular la intensidad de su respuesta inmunitaria y evitar una activación excesiva que podría repercutir negativamente en su desarrollo”, añade el investigador.

Hacia una nueva generación de bioestimulantes para la protección de cultivos

En conjunto, este descubrimiento publicado en Science representa un avance fundamental en la comprensión de cómo las plantas detectan los daños provocados en sus paredes celulares por los patógenos y ofrece nuevas oportunidades para desarrollar tecnologías innovadoras basadas en productos biológicos biodegradables que contribuyan a una agricultura más sostenible y resiliente frente a los desafíos del futuro.

Dado que receptores relacionados con IGP1 están conservado en los principales cultivos, estos hallazgos abren la posibilidad de desarrollar nuevas herramientas biológicas basadas en carbohidratos naturales, capaces de activar de forma controlada la inmunidad vegetal que podrían utilizarse por parte de los agricultores para proteger los cultivos.

“La utilización de fragmentos de celulosa como inductores de resistencia permitiría reforzar las defensas naturales de los cultivos frente a enfermedades, reduciendo la dependencia de fitosanitarios de síntesis química y contribuir así a una agricultura más sostenible y respetuosa con el medio ambiente. De hecho, trabajos recientes ya han demostrado el potencial de este tipo de moléculas para proteger cereales frente a patógenos “, explica Molina.

Y también favorecería una agricultura más sostenible. “La celulosa es la biomolécula más abundante del planeta y el principal componente de muchos residuos de la industria agroalimentaria. La obtención de ligandos inmuno-activos a partir de estas fuentes de biomasa permitiría transformar residuos en productos de alto valor añadido, impulsando estrategias de economía circular y sostenibilidad agrícola”, concluye el investigador del CBGP.